Alta resistência à flexão a 1800 °C, superior a 1 GPa em TiB2

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 6915 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Compósito cerâmico de alta densidade (99,5%) composto de boreto de titânio e carboneto de boro (70/30 vol%) foi obtido por sinterização por plasma spark e testado por ensaio de flexão de 3 pontos em atmosfera de Ar a 1800 °C. A resistência à flexão foi alta, em torno de 1,1 GPa. A curva resistência-deformação apresenta um formato peculiar composto por três regiões onde estão ativas deformações elásticas e plásticas com pesos diferentes. Com base em observações de microscopia eletrônica de transmissão, propomos um processo de absorção de energia mecânica impulsionado pela tensão de cisalhamento nos cristais de carboneto de boro: falhas de empilhamento com planos de empilhamento (1-11) e (011) e gêmeos com plano de geminação (1-11) reorganizados em nano-gêmeos com (10-1) planos de geminação, ortogonais mas equivalentes aos iniciais. Este mecanismo de rearranjo fornece, em primeira instância, uma assinatura plástica, mas contribui ainda mais para o fortalecimento.

Os avanços tecnológicos em domínios estratégicos como a energia nuclear e as indústrias aeroespaciais estão principalmente relacionados com a engenharia de materiais funcionais avançados inovadores1. Tais materiais para condições extremas devem ser capazes de suportar temperaturas muito altas, possuir alta dureza, tenacidade e, idealmente, boa condutividade térmica, elétrica e estabilidade química. Todos os recursos mencionados acima devem ocorrer simultaneamente. Além disso, a produção destes materiais deve ser barata, rápida e escalável2.

Apenas algumas famílias de materiais3 atendem ao conjunto específico e restrito de requisitos acima mencionados. Entre eles estão metais refratários (por exemplo, W e Mo), óxidos (ZrO2 e MgO), boretos (TiB2 e TaB)4, carbonetos (TaC, ZrC e TiC) ou nitretos (TaN e HfN). Em geral, à temperatura ambiente, os metais são dúcteis e sofrem deformação plástica, enquanto as cerâmicas são quebradiças, duras e deformam-se elasticamente. Contudo, de forma totalmente inesperada, pode ocorrer um comportamento de deformação acompanhado de mecanismos físicos de deformação incomuns. Por exemplo, algumas cerâmicas como o carboneto de tântalo (TaC), o boreto de háfnio (HfB2) e o carboneto de boro (denotado BC) são capazes de acomodar a altas temperaturas deformações plásticas semelhantes às dos metais devido, por exemplo, à dinâmica dos defeitos cristalográficos5,6,7, 8. Sob carga mecânica, a interação entre as propriedades intrínsecas do material (química do cristal e defeitos) e a microestrutura em escala nano e micro (tamanho de grão, distribuição e forma e limites de grão) pode promover novos mecanismos físicos de relaxamento de energia. Esses mecanismos resultam em perfis peculiares das curvas de tensão versus deformação. Além disso, é sabido que é preciso considerar as condições de aplicação da carga (por exemplo, tipo de carga, taxa de aplicação e ângulo), tamanho e formato da amostra.

Nos últimos anos tem havido um grande interesse em cerâmicas de TiB2 e compósitos reforçados com, por exemplo, B4C e SiC9,10,11,12,13,14,15. Estas cerâmicas são investigadas por testes de flexão geralmente à temperatura ambiente. Em geral, dependendo do tamanho do grão, do reforço e da microestrutura do compósito, considerando também os defeitos, a resistência à flexão à temperatura ambiente atinge valores de 600–900 MPa. Os mecanismos macroscópicos de fratura estão relacionados à formação e desenvolvimento de trincas, sendo esses mecanismos típicos de cerâmicas frágeis. Dentre eles, a literatura indica o endurecimento das microfissuras interfaciais devido às diferenças no coeficiente de expansão térmica dos componentes compósitos, deflexão das fissuras, clivagem e realce da fratura intergranular14. Um número muito menor de estudos sobre as propriedades mecânicas desses materiais em altas temperaturas foi relatado. Na ref.9 são revisados ​​trabalhos apresentando resistência à flexão em altas temperaturas do TiB2. Aprendemos que os valores de resistência à flexão também não excedem 1GPa, embora uma tendência crescente com o aumento da temperatura do teste seja notável e mereça atenção. Foi recentemente relatado que a resistência à flexão do compósito TiB2-B4C atinge valores ultra-altos de até 8,4 GPa a 2.000 °C16. Estes valores excedem significativamente o limite de 1GPa para resistência à flexão à temperatura ambiente.