Módulo de Young Alumina

A alumina é um material cerâmico de valor inestimável, conhecido pela sua resistência superior à oxidação e pelas propriedades do módulo de Young. No entanto, devido à elevada temperatura necessária durante os processos de sinterização, pode ser uma escolha de material dispendiosa.

À temperatura ambiente, os compósitos de partículas de alumina-YAG apresentam um comportamento frágil com uma resistência à flexão aproximada de cerca de 320 MPa. Mesmo a 1650 graus Celsius, a sua microestrutura permanece homogénea com grãos de alumina uniformemente espaçados e grãos finos de segunda fase, formando uma microestrutura atractiva.

Características

O módulo de Young da alumina é uma propriedade material de valor inestimável que ajuda a determinar a resistência mecânica dos materiais cerâmicos. Esta medida avalia a capacidade de um material para resistir a forças perpendiculares que são aplicadas perpendicularmente à sua direção de extensão; definido como o produto da constante elástica e da tensão de corte, o seu valor pode ser facilmente calculado utilizando uma fórmula simples. As medições do módulo de Young da alumina também podem ser efectuadas utilizando nanoindentação instrumentada, testes de rotação do ponteiro e medições de deflexão, entre outros.

A alumina tem normalmente um módulo de Young relativamente baixo, mas este pode ser significativamente aumentado através de técnicas de síntese avançadas que controlam o tamanho e a forma dos grânulos. Para além disso, as alterações de densidade durante a produção podem também ajudar a aumentar os valores do módulo de Young.

Os grânulos de g-alumina não só podem melhorar o módulo de Young, como também podem ser utilizados para várias aplicações na medicina dentária e noutras indústrias. A sua elevada dureza e rigidez torna-os ideais para cimentos dentários; além disso, podem até ser moldados em restaurações personalizadas, como facetas.

O módulo de Young da alumina apresenta uma forte dependência da temperatura. Foi efectuado um estudo utilizando excitação por impulsos para monitorizar as alterações no módulo de Young de espécimes de alumina parcialmente sinterizados, aquecidos desde a temperatura ambiente até 1600degC, e depois comparadas com as previsões teóricas, tendo-se verificado que a dependência da temperatura do módulo de Young seguia uma curva mestra ideal para este material.

A imagem FESEM foi também utilizada para sondar a microestrutura de uma matriz de alumina e de uma mistura de segunda fase a temperaturas até 1700degC, onde não se observou qualquer alteração na sua microestrutura e apenas se assistiu a um pequeno crescimento do grão - sugerindo que o seu efeito de pinagem permanece eficaz a estas temperaturas.

Os resultados dos testes de flexão revelaram que as amostras de alumina Vita In-Ceram tinham valores de módulo de Young dinâmico e de dureza real significativamente mais elevados em comparação com o IPS Empress 2 e outros materiais de núcleo comerciais, incluindo outros materiais de núcleo Vita. Os compósitos de alumina também apresentaram as maiores resistências à flexão, o que significa que são capazes de suportar uma carga de flexão. A análise do teste de ordem de classificação SNK da resistência à flexão também foi capaz de distinguir diferenças químicas e estruturais entre cinco materiais de núcleo comerciais. Foi descoberta uma correlação impressionante entre a resistência à flexão e a verdadeira dureza dos compósitos de alumina e a utilização dentária (p0,05), sugerindo que são mais adequados do que os materiais de núcleo comerciais para aplicação dentária. Esta investigação é promissora e contribuirá para a criação de grânulos de alumina com propriedades mecânicas melhoradas, permitindo que os dentistas prestem aos seus pacientes cuidados dentários óptimos, ajudando a melhorar a qualidade de vida dos pacientes geriátricos em particular.

Aplicações

O módulo de Young é uma propriedade essencial do material que determina a sua capacidade de absorção de tensão antes da rutura. É utilizado em aplicações que vão desde o design aeroespacial e automóvel até aos materiais de construção como a alumina. Um módulo de Young mais elevado indica um material mais rígido. O módulo de Young da alumina é de 12,6 GPa - o que faz dela um dos materiais cerâmicos mais fortes atualmente disponíveis.

As propriedades elásticas da alumina são determinadas pela sua estrutura, química e microestrutura. A alumina é um material policristalino composto pelas fases y e a separadas por um limite de grão de alumina; o óxido de alumínio compõe uma fase, enquanto os óxidos de metais alcalinos e a sílica compõem outra. Ambas as camadas estão interligadas por nanofibras e micropartículas que contribuem significativamente para o seu elevado valor do módulo de Young.

O módulo de Young da alumina pode ser determinado através de vários métodos experimentais, mas é crucial que as condições em que as medições são efectuadas sejam tidas em conta. Uma técnica eficaz para o fazer é utilizar uma curva carga-deslocamento obtida com equipamento de ensaio mecânico - isto mede a quantidade de força que tem de penetrar num espécime para que ocorra o seu deslocamento e também a forma como a temperatura afecta os resultados de diferentes ensaios; os valores do módulo de elasticidade dependem fortemente das diferenças de temperatura, tornando os seus resultados extremamente variáveis de um ensaio para outro.

O módulo de Young aumenta com o aumento da temperatura e a sua resistência à tração diminui à medida que a alumina é sinterizada. A condutividade eléctrica também depende da temperatura; o teor de iões de metais alcalinos também tem impacto nos níveis de condutividade eléctrica; a resistência aumenta com temperaturas mais elevadas e poros mais pequenos.

A síntese de alumina porosa com as propriedades físicas desejadas é uma tarefa árdua devido às muitas variáveis que afectam as suas características físicas e o seu comportamento. O objetivo do presente estudo é criar um procedimento eficiente para a produção de alumina porosa com valores equilibrados de porosidade e módulo de Young, utilizando o método de Taguchi para otimizar o processo de produção, como o tempo de sinterização, a taxa de aquecimento do processo de calcinação e o processo de tratamento térmico final para melhorar o processo de produção de material de alumina porosa.

Os resultados demonstraram que é possível produzir g-alumina sintética com poros de baixa dimensão e módulos de Young elevados utilizando um novo método de síntese. Esta abordagem duplica o módulo de Young enquanto reforça a cerâmica, tornando-a adequada para aplicações que requerem materiais de elevado desempenho. Os grânulos produzidos com esta abordagem apresentam uma elevada plasticidade para deformação sem fissuração; uma caraterística importante para aplicações médicas e dentárias. Para além disso, a sua taxa de quebra foi grandemente reduzida graças a este procedimento de síntese, tornando esta cerâmica mais aplicável clinicamente do que anteriormente.

Vantagens

O módulo de Young é uma propriedade mecânica essencial para muitas aplicações. Mede a resistência dos materiais à tensão e, simultaneamente, mostra quão bem absorvem vibrações ou ondas de choque. Um módulo de Young mais elevado indica uma maior resistência aos danos; a alumina destaca-se neste aspeto devido ao seu valor excecionalmente elevado do módulo de Young, tornando-a uma excelente escolha de material para utilização em aplicações de engenharia mecânica.

O alumínio é um material forte e económico. Embora não seja tão forte como o aço, o seu peso mais leve permite-lhe ser utilizado mais frequentemente em aeronaves em que o peso é um fator crítico. O alumínio também reduz o consumo de combustível e as emissões, o que, por sua vez, ajuda o ambiente.

Uma das vantagens da alumina é a sua resistência ao envelhecimento hidrotérmico. Além disso, o seu módulo de Young está entre os mais elevados de todos os materiais cerâmicos, o que significa que pode suportar condições de temperatura extremas sem fissurar sob pressão. A alumina tem inúmeras utilizações em ambientes médicos, onde os implantes ósseos devem permanecer intactos, enquanto as aplicações dentárias utilizam as suas propriedades contra danos por fricção.

O módulo de Young da alumina depende da sua pureza, o que também está relacionado com a dureza. À medida que se produz alumina mais pura, o seu módulo de Young aumenta. Infelizmente, devido ao baixo coeficiente de auto-difusão e ao ponto de fusão, pode ser difícil produzir alumina pura, mas a adição de carbono à sua matriz pode aumentar significativamente este coeficiente e aumentar consideravelmente o módulo de Young.

Nomeadamente, o módulo de Young diminui com a temperatura à medida que as partículas se aproximam umas das outras e formam ligações mais fortes entre si. No entanto, os materiais de alumina multicomponentes podem ser projectados com módulos de Young localmente mais elevados, incluindo na sua composição aditivos com morfologias em forma de bastão ou de bigode, bem como pré-formas anisotrópicas.

A indentação dinâmica continua a ser uma das abordagens mais populares para a medição do módulo de Young intrínseco da alumina, mas este método fica aquém da sua exatidão, uma vez que apenas mede as zonas danificadas sob a ponta de indentação. Em vez disso, este estudo propõe um novo método inovador que envolve a extrapolação das curvas carga-deslocamento das amostras, com resultados comparáveis aos das técnicas de ensaio de microdureza.

Este artigo investiga como a modelação numérica e as técnicas experimentais podem ser combinadas para prever o módulo de elasticidade de um revestimento de alumina depositado num substrato de alumínio, utilizando ensaios de flexão de três e quatro pontos como meios para avaliar as suas propriedades mecânicas.