Development of sialons colloidally processed in aqueous medium

Desenvolveu-se um novo método de processamento coloidal em meio aquoso para consolidar cerâmicos de α-Y-SiAlON, os quais foram sinterizados por prensagem isostática a quente (HIP) e por spark plasma sintering (SPS). Preparou-se com sucesso uma suspensão aquosa de pós precursores de YSiAlON (Si3N4, Al2O3, Y2O3 e AlN), temporariamente estável, usando Dolapix PC21 como dispersante, permitindo a fabricação de pós granulados pela técnica de aspersão-congelamento-liofilização e a consolidação de corpos em verde por enchimento por barbotina. Avaliou-se o efeito do excesso de oxigénio introduzido pelo processamento aquoso no desenvolvimento microestrutural e nas propriedades mecânicas. Os corpos de Y-SiAlON consolidados por enchimento por barbotina e sinterizados por HIP a 1800ºC apresentaram microestruturas e propriedades mecânicas similares a corpos consolidados por prensagem a seco. Estes materiais exibiram densificação completa, dureza Vickers máxima de 2003 e tenacidade à fractura (método SEVNB) máxima de 5.20 MPam1/2. Foi ainda possível estabelecer uma relação estreita entre o aumento do conteúdo em oxigénio das amostras sinterizadas e a diminuição da tenacidade à fractura. Na tentativa de melhorar a tenacidade à fractura dos materiais, procedeu-se à incorporação nas suspensões de sementes de Ca-α-SiAlON de geometria alongada produzidas por síntese por combustão, adicionadas como agentes de reforço. A síntese por combustão realizada em larga escala (cargas até 1 kg) não produziu efeitos negativos óbvios nos produtos da reacção. Investigara-se os efeitos da adição de 5 % em peso de sementes nas propriedades mecânicas e no desenvolvimento microestrutural de amostras densificadas por HIP. Em comparação com os materiais sem sementes, a tenacidade à fractura (método SEVNB) aumentou 13%, mas a dureza Vickers resultou 14,5% inferior. A sinterização por SPS permitiu obter densificação completa a temperaturas tão baixas como 1600ºC a partir dos pós granulados de Y-SiAlON sem a adição extra de Y2O3 para aumentar o teor de fase líquida. Os materiais sinterizados a 1700ºC e 1600ºC mostraram valores máximos de tenacidade à fractura de 4.36 e 4.20 MPam1/2 (método SEVNB), e de dureza Vickers de 2089 e 2084, respectivamente. Esta técnica de sinterização permitiu ainda obter corpos sinterizados translúcidos com uma transmitância máxima de 61% numa amostra de 2mm de espessura. Os corpos translúcidos apresentaram dureza Vickers de 2154 e tenacidade à fractura 3.74 MPam1/2 (método SEVNB).

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Development of lithium disilicate based glass-ceramics

O principal objectivo deste estudo foi o desenvolvimento de vitrocerâmicos à base de dissilicato de lítio no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 contendo uma razão molar SiO2/Li2O muito afastada da do dissilicato de lítio (Li2Si2O5) usando composições simples e a técnica tradicional de fusão-vazamento de vidro de forma a obter materiais com propriedades mecânicas, térmicas, químicas e eléctricas superiores que permitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. Investigou-se o fenómeno de separação de fases, a cristalização e as relações estrutura-propriedades de vidros nos sistemas Li2O-SiO2, Li2O-Al2O3-SiO2 e Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Os vidros nos sistemas Li2O-SiO2 e Li2O-Al2O3-SiO2 apresentaram fraca densificação e resultaram em materiais frágeis, contrastando com a boa sinterização dos vidros no sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2. Pequenas adições de Al2O3 e K2O ao sistema Li2O-SiO2 permitiram controlar a separação de fases devido à formação de espécies de Al(IV) que confirmaram o papel de Al2O3 como formador de rede. Os compactos de pó de vidro das composições contendo Al2O3 e K2O tratados termicamente resultaram em vitrocerâmicos bem densificados, apresentando dissilicato de lítio como a principal fase cristalina, e valores de resistência mecânica à flexão, resistência química e condutividade eléctrica (173-224 MPa, 25-50 mg/cm2 e ~2´10-18 S/cm, respectivamente) que possibilitam a utilização destes materiais em diversas aplicações funcionais. A adição de P2O5, TiO2 e ZrO2 ao sistema Li2O-K2O-Al2O3-SiO2 como agentes nucleantes revelou que os vidros contendo apresentaram cristalização em volume, com a formação de metassilicato de lítio a temperaturas mais baixas e dissilicato de lítio para as temperaturas mais elevadas, enquanto a adição de zircónia reduz o grau de segregação, aumenta a polimerização da matriz vítrea e desloca o valor de Tg para temperaturas superiores, inibindo a cristalização.

Surface reactivity enhancement of silica-based glass-ceramic scaffolds

A paradigm shift is taking place from using transplanting tissue and synthetic implants to a tissue engineering approach that aims to regenerate damaged tissues by combining cells from the body with highly porous scaffold biomaterials, which act as templates, guiding the growth of new tissue. The central focus of this thesis was to produce porous glass and glass-ceramic scaffolds that exhibits a bioactive and biocompatible behaviour with specific surface reactivity in synthetic physiological fluids and cell-scaffold interactions, enhanced by composition and thermal treatments applied. Understanding the sintering behaviour and the interaction between the densification and crystallization processes of glass powders was essential for assessing the ideal sintering conditions for obtaining a glass scaffolds for tissue engineering applications. Our main goal was to carry out a comprehensive study of the bioactive glass sintering, identifying the powder size and sintering variables effect, for future design of sintered glass scaffolds with competent microstructures. The developed scaffolds prepared by the salt sintering method using a 3CaO.P2O5 - SiO2 - MgO glass system, with additions of Na2O with a salt, NaCl, exhibit high porosity, interconnectivity, pore size distribution and mechanical strength suitable for bone repair applications. The replacement of 6 % MgO by Na2O in the glass network allowed to tailor the dissolution rate and bioactivity of the glass scaffolds. Regarding the biological assessment, the incorporation of sodium to the composition resulted in an inibition cell response for small periods. Nevertheless it was demonstrated that for 21 days the cells response recovered and are similar for both glass compositions. The in vitro behaviour of the glass scaffolds was tested by introducing scaffolds to simulated body fluid for 21 days. Energy-dispersive Xray spectroscopy and SEM analyses proved the existence of CaP crystals for both compositions. Crystallization forming whitlockite was observed to affect the dissolution behaviour in simulated body fluid. By performing different heat treatments, it was possible to control the bioactivity and biocompatability of the glass scaffolds by means of a controlled crystallization. To recover and tune the bioactivity of the glass-ceramic with 82 % crystalline phase, different methods have been applied including functionalization using 3- aminopropyl-triethoxysilane (APTES). The glass ceramic modified surface exhibited an accelerated crystalline hydroxyapatite layer formation upon immersion in SBF after 21 days while the as prepared glass-ceramic had no detected formation of calcium phosphate up to 5 months. A sufficient mechanical support for bone tissue regeneration that biodegrade later at a tailorable rate was achievable with the glass–ceramic scaffold. Considering the biological assessment, scaffolds demonstrated an inductive effect on the proliferation of cells. The cells showed a normal morphology and high growth rate when compared to standard culture plates. This study opens up new possibilities for using 3CaO.P2O5–SiO2–MgO glass to manufacture various structures, while tailoring their bioactivity by controlling the content of the crystalline phase. Additionally, the in vitro behaviour of these structures suggests the high potential of these materials to be used in the field of tissue regeneration.

Diopside-fluorapatite-wollastonite based bioactive glasses and glass-ceramics

Bioactive glasses and glass–ceramics are a class of biomaterials which elicit special response on their surface when in contact with biological fluids, leading to strong bonding to living tissue. This particular trait along with good sintering ability and high mechanical strength make them ideal materials for scaffold fabrication. The work presented in this thesis is directed towards understanding the composition-structure-property relationships in potentially bioactive glasses designed in CaOMgOP2O5SiO2F system, in some cases with added Na2O. The main emphasis has been on unearthing the influence of glass composition on molecular structure, sintering ability and bioactivity of phosphosilicate glasses. The parent glass compositions have been designed in the primary crystallization field of the pseudo-ternary system of diopside (CaO•MgO•2SiO2) – fluorapatite (9CaO•3P2O5•CaF2) – wollastonite (CaO•SiO2), followed by studying the impact of compositional variations on the structure-property relationships and sintering ability of these glasses. All the glasses investigated in this work have been synthesized via melt-quenching route and have been characterized for their molecular structure, sintering ability, chemical degradation and bioactivity using wide array of experimental tools and techniques. It has been shown that in all investigated glass compositions the silicate network was mainly dominated by Q2 units while phosphate in all the glasses was found to be coordinated in orthophosphate environment. The glass compositions designed in alkali-free region of diopside – fluorapatite system demonstrated excellent sintering ability and good bioactivity in order to qualify them as potential materials for scaffold fabrication while alkali-rich bioactive glasses not only hinder the densification during sintering but also induce cytotoxicity in vitro, thus, are not ideal candidates for in vitro tissue engineering. One of our bioglass compositions with low sodium content has been tested successfully both in vivo and in preliminary clinical trials. But this work needs to be continued and deepened. The dispersing of fine glass particles in aqueous media or in other suitable solvents, and the study of the most important factors that affect the rheology of the suspensions are essential steps to enable the manufacture of porous structures with tailor-made hierarchical pores by advanced processing techniques such as Robocasting.

Desenvolvimento de um cerâmico Al2O3/TI(C,N) para uso em maquinação

O principal objetivo deste trabalho é preparar um cermeto do tipo Al2O3/Ti(C,N) com propriedades mecânicas adequadas à sua utilização na maquinação de materiais do tipo DIN ISO 513:K01-K10 e ISO H01-H10. De forma a incrementar a sinterabilidade do cermeto investigou-se o efeito da adição de dopantes metálicos, nomeadamente alumínio metálico (Al) e hidreto de titânio (TiH2) e o efeito da substituição da moagem convencional por moagem de alta energia. As variáveis das etapas principais de processamento, i.e., da moagem, prensagem e sinterização, foram selecionadas com trabalho realizado quer na Universidade de Aveiro quer na empresa Palbit. Foram preparadas três composições do cermeto Al2O3/Ti(C,N) com adições de 5%TiH2, 1%Al e 5%TiH21%Al através da moagem de alta energia. Os parâmetros de moagem, i.e. a velocidade de rotação, o rácio bolas/pó e o tempo de moagem foram otimizados para os seguintes valores: 350 rpm, 10:1 e 5 h, respetivamente. A utilização da moagem de alta energia permitiu uma redução do tamanho de partícula dos pós até aproximadamente 100 nm e a obtenção de uma boa uniformidade da distribuição das fases (Al2O3+Ti(C,N)). A etapa de conformação foi efetuada por prensagem uniaxial seguida de prensagem isostática. A avaliação da reatividade dos cermetos através de dilatometria em atmosfera de vácuo revelou que a densificação é maioritariamente realizada em estado sólido. A adição de apenas 1%Al é a menos efetiva para a densificação. Os cermetos foram sinterizados através de sinterização convencional em forno de vazio a 1650ºC e prensagem a quente (1650ºC com uma pressão uniaxial de 25 MPa). Os valores de densificação obtidos, aproximadamente 80% e 100%, respetivamente, indicam que a aplicação de pressão durante a sinterização é efetiva para atingir densificações elevadas nos compactos, compatíveis com as suas aplicações tecnológicas. As propriedades mecânicas de dureza e de tenacidade avaliadas nos três cermetos apresentaram valores aproximados de 1800-1900 HV50 para a dureza e entre 5.4 e 7.7 MPa.m1/2 para a tenacidade à fratura.

Recuperação de componentes de metal duro por projeção térmica

The main objective of this work is the development of a hardmetal components (WC-6%Co) recovery method by thermal deposition process. The thermal deposition technique used was HVOF (high velocity oxygen-fuel). The HVOF enables depositions of thick coatings (100-500 µm) with low porosity levels, high hardness and excellent adhesion. Before deposition, hardmetal samples with different geometries (plates and cylinders) were finished in order to have different roughness. The influence of these parameters in adhesion was studied. After this step, different re-sintering temperatures were used, in order to determine which one allows to obtain the maxima densification, elements distribution and metallurgical bonding. The re-sintering promotes the densification of the coating, with an increase of its hardness and metallurgical bonding formation. The inclusion of an intermetallic layer was tested along with different layer parameters. In liquid phase sintering (1383 and 1455 ºC) a complete densification of the coating occurred, while a bonding between the substrate and the coating only partially happened. The results of SEM/EDS show low levels of porosity and a complete and uniform distribution of the elements of the alloy. The cylindrical samples without intermetallic layer showed the lowest level of porosity and best metallurgical bonding. When the substrate surface was polished (Ra = 0.05 mm) lower levels of porosity and greater metallurgical bonding were found for both geometries. Taking into account the results obtained in this study, we can conclude that the implementation of this process is appropriate for cylindrical components with a polished surface. In these components the intermetallic layer is unnecessary and punctual defects like pores can be repaired with this process.

Electrolytes for ceramic oxide fuel cells

The main objective of this dissertation is the development and processing of novel ionic conducting ceramic materials for use as electrolytes in proton or oxide-ion conducting solid oxide fuel cells. The research aims to develop new processing routes and/or materials offering superior electrochemical behavior, based on nanometric ceramic oxide powders prepared by mechanochemical processes. Protonic ceramic fuel cells (PCFCs) require electrolyte materials with high proton conductivity at intermediate temperatures, 500-700ºC, such as reported for perovskite zirconate oxides containing alkaline earth metal cations. In the current work, BaZrO3 containing 15 mol% of Y (BZY) was chosen as the base material for further study. Despite offering high bulk proton conductivity the widespread application of this material is limited by its poor sinterability and grain growth. Thus, minor additions of oxides of zinc, phosphorous and boron were studied as possible sintering additives. The introduction of ZnO can produce substantially enhanced densification, compared to the un-doped material, lowering the sintering temperature from 1600ºC to 1300ºC. Thus, the current work discusses the best solid solution mechanism to accommodate this sintering additive. Maximum proton conductivity was shown to be obtained in materials where the Zn additive is intentionally adopted into the base perovskite composition. P2O5 additions were shown to be less effective as a sintering additive. The presence of P2O5 was shown to impair grain growth, despite improving densification of BZY for intermediate concentrations in the range 4 – 8 mol%. Interreaction of BZY with P was also shown to have a highly detrimental effect on its electrical transport properties, decreasing both bulk and grain boundary conductivities. The densification behavior of H3BO3 added BaZrO3 (BZO) shows boron to be a very effective sintering aid. Nonetheless, in the yttrium containing analogue, BaZr0.85Y0.15O3- (BZY) the densification behavior with boron additives was shown to be less successful, yielding impaired levels of densification compared to the plain BZY. This phenomenon was shown to be related to the undesirable formation of barium borate compositions of high melting temperatures. In the last section of the work, the emerging oxide-ion conducting materials, (Ba,Sr)GeO3 doped with K, were studied. Work assessed if these materials could be formed by mechanochemical process and the role of the ionic radius of the alkaline earth metal cation on the crystallographic structure, compositional homogeneity and ionic transport. An abrupt jump in oxide-ion conductivity was shown on increasing operation temperature in both the Sr and Ba analogues.