Processo para produção de pó de al2-o3 para obtenção de corpos de alta densidade sinterizados a baixa temperatura e curto tempo

  • Número do pedido da patente:
  • PI 8806414-0 B1
  • Data do depósito:
  • 06/12/1988
  • Data da publicação:
  • 24/07/1990
  • Data da concessão:
  • 24/11/1998
Inventores:
  • Classificação:
  • C01F 7/02
    Compostos de alum?nio; / ?xido de alum?nio; Hidr?xido de alum?nio; Aluminatos;
    ;
    C30B 19/00
    Crescimento de camadas epitaxiais em fase l?quida;
    ;

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Documento

Relatório Descritivo da Patente de Invenção “Processo para Produção de Pó de AI2O3 para Obtenção de Coipos de Alta Densidade Sinterizados a Baixa Temperatura e Curto Tempo”

Trata-se de um processo para produção de pó de A1203 com características que 5 possibilitam a obtenção de corpos de alta densidade (>90% da densidade teórica) sinterizados a baixa temperatura (<1400 °C) e curto tempo (<4h).

A alumina, A1203, é um material cerâmico de ampla aplicação tecnológica. Na forma de corpos sinterizados é utilizada como material refratário estrutural em fomos para altas temperaturas (de 1200°C a 2100 °C), como revestimento de termopares na forma 10 de miçangas, como recipiente para tratamentos térmicos e químicos, como isolante elétrico ou térmico ou como componentes em equipamentos mecânicos

Bm geral, um tino controle específico das características físicas e químicas é requerido para cada aplicação particular. Comumente exige-se alta densidade.

Os sinterizados são em geral obtidos através da prensagem de um póas características 15 químicas e físicas requeridas e sintetização em altas temperaturas ( ~ 1600°C) por longos períodos ( ~ 24 horas). Atualmente o mercado já oferece pós de alumina com as características químicas e físicas requeridas para a maioria das aplicações tecnológicas.

Entretanto, a transformação desses pós em corpos sinterizados de alta densidade exige 20 fomos para altas temperaturas que empregam diversos componentes especiais, tais como: resistências de liga de platina e ródio, de molibdênio ou SUPERKANTHAL; componentes estruturais (como a própria atumina sintetizada) ou gases especiais. Isso, além do alto custo, restringe em muito as opções de fornecimento de fomos, componentes e materiais.

Ô abaixamento da temperatura de sinterização da ahiraina para 1400 °C permitiría abrir raais opções de mercado para fornecimento de formos, além de diminuir o custo tanto de equipamentos e materiais quanto de energia.

Uma das técnicas de abaixamento da temperatura e redução do tempo de sinterização 5 da alumina é o emprego de aditivos de sinterização, que têm a finalidade de acelerar o processo de sinterização. Os aditivos empregados são MgO, S1O2 e M^Os Outra função desses aditivos é inibir o crescimento de grão durante a sinterização.

Mas esses aditivos alteram as propriedades de alumina. Em algumas aplicações essa alteração não é desejável. Outra técnica empregada para abaixar a temperatura de 10 sinterização é a do semeamento.

Observa-se que o semeamento isoestmtural com a fase de equilíbrio final resulta no aumento da denstfícação e da sinterização em temperatura mais baixas

A transformação de fase da alumina acontece por nucleação e tem alta energia de ativação. A energia de ativação é usada na sua maior parte para ativar o processo de 15 nucleação. Por isso, elevadas temperaturas são exigidas para superar a barreira da alta energia de ativação necessária à nucleação, de modo a se ter, após a sinterização, corpos de alumina com alta densidade.

A técnica de semeamento consiste em se fornecer núcleos já formados de tal forma que a energia que seria gasta para criá-los, seja transferida para o processo de crescimento 20 do núcleo Desse modo, na transformação de fase final que ocorre,

AI2O3 - 0 -> AI2O3 - a , a presença de núcleos de AI2O3 -a altera

favoravelmente a cinética da transformação e abaixa a temperatura necessária para tal transformação de 1215 °C para 1050 °C.

Presume-se um crescimento epitaxial das sementes de AI2O3 - a, resultando numa 25 estrutura de grãos de AI2O3 - o de alta densidade. Como isso é, em principio, possível obter alumina sinterizada de alta densidade em temperaturas da ordem de 1050 °C.

Esse efeito do semeamento pode ser obtido por meio de um gel de alumina semeado com AI2O3 - a.

Entretanto esta técnica deve ser otimizada de modo a se obter um gel com as características que permitam um processamento eficaz na prensagem e sintetização, tais como:

-    acomodação apropriada das sementes de AI2O3 - a,

-    boa escoabilidade (para permitir transporte automático de pó);

-    boa prensabilidade (sem adição de aglomerantes);

-    boa sinterabilidade (obtenção de corpos de alta densidade sem defeitos, como p ex., fissuras).

Para resolver estes problemas é proposto o presente processo, o qual permite obter, através da utilização da técnica de precipitação de um gel, um gel de alumina semeado com as características desejadas acima especificadas.

A geração de poros finos nas partículas dos pós cerâmicos é importante para a etapa de prensagem. A ausência de uma certa porosidade faz com que as partículas do pó exerçam maior resistência à prensagem. Essa resistência aumenta até que as partículas do pó se estilhaçam em partículas ainda menores. Assim, somente em pressões de compactação muito elevadas ou com o auxílio de aglomerantes podem ser obtidos corpos prensados.

Por outro lado, se as partículas do pó forem porosas, elas não oferecem grande resistência à prensagem e são simplesmente esmagadas Dessa maneira, a medida que deformam durante a prensagem, espaços vazios são preenchidos, possibilitando que sejam obtidos corpos prensados sem adição de aglomerantes e que altas densidades' sejam alcançadas na sinterização.

A técnica consiste em preparar uma solução contendo o nitrato de alumínio, água e um! doador de hidroxilas e diluir as sementes nessa solução. A precipitação do gel se dá preferencialmente através da seguinte reação.

5    2 A1(N03)3 + NHiOHexcesso = AI2O3. xH^O + NH4NO3 onde x varia de 2,5 a 3,0.

O precipitado resultante é lavado, secado (primeiro a uma temperatura abaixo do ponto de ebulição e depois a outra mais alta), calcinado, prensado e sintetizado ao ar.

Eventualmente o pó calcinado necessita ser moído, caso haja formação de aglomerados Obtém-se um pó com razoável escoabilídade, sem necessidade do uso 10 de aglomerantes para a etapa de prensagem.

O doador de hidroxilas tem suas funções básicas:

1. atuar como doador de ions OH", necessários na reação de neutralização,

2 gerar uma porosidade fina nas partículas do pó de alumina resultante.

Com a doação de ions OHT, acontece uma neutralização do nitrato de alumínio. Esse IS processo, em que o doador de ions OH1 está dentro da solução, recebe o nome dê “gelatinização interna”. Aquele em que o doador de ions OK é fornecido externamente à solução, é denominado de “gelatinização externa”.

O doador de hidroxilas (ions) na gelatinização é a uréia ((NH2)2CO), a qual, em meio aquoso a quente, sofre as seguintes reações:

20 (NH2)2CO+H20 —a-> 2NH3 + CO2

2NH3 + 2H20    -> 2NH4OH

onde NH40H 3 (NH**) (OIT) s à representação de uma solução de NH3 (g) em H2O.

O segundo doador de hidroxilas (OH) é uma solução KH3 -min 25w/o, gotejada na solução de nitrato de alumínio a ser neutralizada, caracteriza uma gelatinização 25 externa.

Assim, o processo de produção de um gel de alumina semeado combina, com a adição de um doador de hidroxilas, uma gelatinização interna com uma externa.

A temperatura de calcinação deve ser tal que não ocorra a transformação

AI2O3 -0-> AI2O3-CC

Ocorrendo essa transformação antes da sinterização, obtém-se densidades baixas nos corpos sinterizados.

As características microestruturais e a densidade dos corpos sinterizados podem ser èm parte controladas através da concentração e do tamanho das sementes de AI2O3 -a no 5 gel.

Para maiores esclarecimentos, será descrito uma realização do processo da invenção, como exemplo não limitado.

Em um experimento, pode ser comprovado, no caso do semeamento que a adição de lg de semente de AI2O3 -a com a distribuição granulométrica:

10    10% das partículas com diâmetro inferior a 0,4pm,

40% das partículas cora diâmetro entre 0,4 e 2 pm; e 45% das partículas com diâmetro entre 2 e 10 pm,

a 376 g de nitrato de alumínio mais 914,8g de água deionizada mais 174 g de uréia e o aquecimento à ebulição da solução resultante enquanto se adiciona solução NH3 -min. 15    25 W/P em excesso, permitiu obter um pó finíssimo de ahimina semeada que, calcinado a

1.000 °C/2h ao ar, resulta numa ahimina contendo as feses Oeo, cuja prensagem na forma de pastilhas cilíndricas, a 4 ton/cm2 e sinterização a 1.400 °C/2h, resulta èm pastilhas com 95% da densidade teórica.

Em princípio essa técnica é aplicável a qualquer material que possa ser processado 20 através da técnica de precipitação de um gel e passível de ser semeado isoestruturalmente com a fase final de equilíbrio para abaixar a temperatura e também encurtar o tempo de sinterização

REIVINDICAÇÕES

1-    Processo para produção de pó de AJ2O3 para obtenção de corpos de alta densidade sinterizados a baixa temperatura e curto tempo, caracterizado por utilizar a técnica de semeamento e de precipitação de um gel, com gelatinização interna e externa,

5 através da adição de dois doadores de hidroxilas , OH~~, os quais fornecem íons e geram porosidade fina nas partículas de pó de alumina resultante , de modo a permitir obtenção de corpos sinterizados, a altas densidades, por meio de prensagem direta, sem aglomerantes, a baixa temperatura e por um curto tempo

2- Processo, segundo reivindicação n° l, caracterizado por adicionar sementes de

0    alumina- a (AI2O3. a) durante o processo de gelatinização.

2-    Processo, segundo reivindicação n° l, caracterizado por ser a uréia ( NH2)2 CO) o doador de íons, hidroxilas - OH-, na gelatinização interna.

3-    Processo, de acordo com a reivindicação n°l, caracterizado por ser a solução NH3 -min. 25 w / o, o doador de íons, hidroxila - OH"~

-5    4- Processo, de acordo com a reivindicação n°l, caracterizado por uma gelatinização

interna com uma solução amoniacal.

5- Processo, de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por ser o pó de alumina obtido, prensado diretamente, sem adição de aglomerantes, na preparação dos corpos sinterizados.

10    6- Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por ser o pó de alumina,

após a prensagem, sintetizado a temperaturas menores ou iguais 1400 0 C , em um tempo menor ou igual a 4 horas, obtendo corpos de alta densidades.

Patente de invenção de “Processo para Produção de Pó de AI2O3 para Obtenção de Corpos de Alta Densidade Sintetizados a Baixa Temperatura e Curto Tempo”, caracterizado por semeamento com A1203 - a, obtido pela técnica de 5 precipitação de um gel, com gelatinização interna com um doador de hidroxilas e externa com solução amoniacal. A precipitação do gel se dá preferencialmente através da seguinte reação:

2A1(N03>3 + NH+OHexcaw, + A1203. xH20 + NH4NO3 onde x varia de 2,5 a 3,0.

I0u Não são empregados aditivos para acelerar o processo de sinterização, propiciando a obtenção de corpos sinterizados de alta pureza. A sinterização é efetuada em temperaturas £ 1400 °C e tempos á 4h. Esse processo 4 em princípio, aplicável a obtenção de pó de qualquer material passível de sofrer semeamento isoestrutural com a fase final de equilíbrio para abaixar a temperatura e encurtas o tempo de sinterização

PFriDO DE GARANTIi DE PHK)RP*nr DATA DO DEPOSITO õ(n / IX /


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Relatório Descritivo Circunstanciado da Patente de' Invenção “Processo para Produção de Pó de AlzOa para Obtenção de Corpos de Alta Densidade Sinterizados a Baixa Temperatura e Curto Tempo”    ..

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5 A alumina, AI2O3, é um material cerâmico de arap*Laa. aplicação tecnológica. Na forma de corpos sinterizados utilizada como material refratário estrutural em fornos para altas temperaturas (de 1200 °C a 2100    °C), como

revestimento de termopares na forma de miçangas, como 10 recipiente para tratamentos térmicos e químicos, como isolante elétrico ou térmico ou como componentes em equipamentos mecânicos.    '

Em geral, um fino controle especifico das características f isicas e químicas e requerido para cada aplicação 15 particular. Comumente exige-se alta densidade.

Os sinterizados são em geral obtidos através da prensagem

de um pó com as características químicas e físicas requeridas e sinterização em altas temperaturas (^1600 °C) por longos periodos (^ 24 horas). Atualmente o mercado já oferece pós de alumina com as características químicas e 5 fisicas requeridas para    a maioria das aplicações

tecnológicas.

Entretanto, a    transformação desses pós em corpos

sinterizados de    alta densidade exige fornos para altas

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Uma das técnicas de abaixamento da temperatura e redução 20 do tempo de sinterização da alumina é o emprego de aditivos de sinterização, que têm a finalidade de acelerar o processo de sinterização. Os aditivos empregados são MgO» SiOz e NbaOs /l/. Outra função desses aditivos é inibir o crescimento de grão durante a sinterização.

25 Mas esses aditivos alteram as propriedades da alumina. Em algumas aplicações essa alteração não è desejável. Outra

técnica empregada para abaixar a temperatura de sinterizção é a do seme&mento.

Observa-se que □ semeamento isoestrutural com a fase de equilíbrio final resulta no aumento da densificação e da 5 sinterização em temperaturas mais baixas /2/.

A transformação de fase da alumina acontece por

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20 a presença de núcleos de AlzOs-a    altera favoravelmente a

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necessária para tal transformação de 1215 °G para 1050 °C.

Presume-se um crescimento epitaxial das sementes de Ãl20a-a , resultando numa estrutura de grãos de AI2O3-01 25 de alta densidade. Com isso, é, em princípio, possível '

obter alumina sinterizada de alta densidade em temperaturas da ordem de 1050 °C.

Esse efeito do semeamento pode ser obtido por meio de um gel de alumina semeado com AI2O3-C1

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