Resumos de teses de doutorado

Abstracts of doctorate theses

RESUMOS DE TESES DE DOUTORADO

ABSTRACTS OF DOCTORATE THESES

Candidato: Antonio Carlos da Cruz^* (Departamento de Engenharia Química da Universidade McGill, Montreal, Quebec, Canada).

Comissão Examinadora: Dr. M.P. Andrew, Dr. D.G. Cooper, Dr. R.J. Munz (Orientador), Dr. P.C. Kong, Dr. J.-L. Meunier, Dr. R.A.L. Drew e Dr. A.D. Rey.

Data: 23/01/1998

Título: Estudo experimental e modelação da síntese em fase-vapour por plasma de pós de nitreto de alumínio ultra-finos.

Title: Experimental and modelling study of the plasma vapour-phase synthesis of ultrafine aluminum nitride powders.

RESUMO

Foi realizado um estudo experimental e teórico dos fundamentos da síntese em fase vapor de partículas ultra-finas de nitreto de alumínio (AlN). O estudo envolveu o uso de um reator a plasma por arco-transferido que produz pó de AlN em dois estágios: evaporação de alumínio (Al) pelo plasma em atmosfera não nitretante; e a reação entre vapor de Al e amônia (NH₃) em um reator tubular, separado da câmara de plasma. Uma nova versão desse conceito de reator foi construída na qual a câmara do arco e o reator tubular eram verticalmente alinhados. Essa configuração permitiu o estudo da mistura entre reagentes por injeção radial e axial da NH₃. Pós ultra-finos com área específica (AE) na faixa entre 38 e 270 m²/g, foram produzidos em dois níveis de temperatura do gás (1800 e 2000 K), medida na saída da câmara de plasma, utilizando-se diferentes intensidades de resfriamento e duas composições do gás de plasma (Ar e mistura Ar/H₂). Foi investigado a dependência do tamanho de partícula e composição em relação às condições de operação. Dependendo composição do gás de arraste (gás de plasma), duas diferentes tendências foram observadas para a variação da AE em função da intensidade de resfriamento, com a injeção radial de NH₃. Um modelo numérico foi desenvolvido para estudo da nucleação e crescimento de partículas nesse sistema, usando o método dos momentos da distribuição do tamanho de partículas. Uma nova equação para a taxa de nucleação foi desenvolvida para o sistema AlN. Essa equação considera o efeito da reação na superfície dos embriões da fase condensada. Por intermédio desse modelo, as tendências observadas experimentalmente puderam ser explicadas. A importância dos mecanismos envolvidos na transição gás-fase condensada foram examinados. A pesquisa incluiu a investigação da sinterabilidade dos pós produzidos. Foi observada a densificação total dos corpos sinterizados a 1550 ^oC. Devido ao alto teor de oxigênio do pó, uma segunda fase, identificada como oxi-nitreto de alumínio (AlON), foi observada.

Palavras chaves: síntese por plasma; síntese em fase vapor; arco-transferido; reator a plasma; partículas finas; nitreto de alumínio; nucleação e crescimento; método dos momentos.

ABSTRACT

An experimental and theoretical study of the fundamentals of the vapour phase synthesis of ultrafine aluminum nitride (AlN) particles using thermal plasma was carried out. The study used the concept of a transferred-arc reactor which produces AlN ultrafine powders in two stages: evaporation of aluminum (Al) metal by the transferred-arc in non nitriding conditions; and the reaction between Al vapour and ammonia (NH₃) in a separate tubular reactor. A new version of this reactor concept was built in which the transferred-arc chamber and tubular reactor were vertically aligned. This reactor design allowed the study of both radial and axial mixing of NH₃ with the plasma chamber off-gas. Ultrafine powders with a specific surface area (SSA) in the range of 38-270 m²/g were produced in two plasma chamber off-gas temperature levels (1800 and 2000 K), with different quenching intensities, and two different plasma gas compositions (pure Ar and Ar/H₂ mixture). The dependence of the particle size and composition on the reactor operating conditions was investigated. Depending on the plasma gas composition, two different trends were observed for the SSA as a function of quenching intensity, with the radial injection of NH₃. A two-dimensional numerical model was developed for the nucleation and growth of ultrafine particles in this system, using the method of moments. A new equation for the nucleation rate for the AlN system was developed. This equation considers the effect of reaction on the surface of clusters of the new phase. This new modelling approach could explain the trends observed experimentally. The importance of the mechanisms for the gas-to-condensed phase transition in the AlN system were examined. The sinterability of the powder produced was also studied. Sintering to full density was achieved at 1550 ^oC. Because of the high oxygen content of the powder, a second phase identified as aluminum oxynitride (ALON) was observed to form.

Key words: plasma synthesis; vapour phase synthesis; transferred-arc; plasma reactor; fine particles; aluminum nitride; nucleation and growth; method of moments.

Candidato: Sebastião Ribeiro (Departamento de Engenharia de Materiais - DEMAR, Faculdade de Engenharia Química de Lorena - FAENQUIL).

Comissão Examinadora: Dr. Kurt Strecker (Faculdade de Engenharia Química de Lorena-FAENQUIL), Dr. Cosme Roberto Moreira da Silva (Centro Técnico Aeroespacial - CTA), Dr. Jamil Duailibi Filho (Instituto Nacional de Tecnologia - INT), Dr. José Nilson França de Holanda (Universidade Estadual do Norte Fluminense - UENF), Dra. Maria do Carmo de Andrade Nono (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE).

Data: 07/11/97

Título: Estudo comparativo das propriedades do nitreto de silício sinterizado com óxido de ítrio/óxido de silício e concentrado de óxidos de ítrio e terras raras/óxido de silício.

Title: Comparative study of the properties of silicon nitride ceramics sintered with ytrium oxide/silicon oxide and a mixed ytrium-rare earth oxide concentrate/silicon oxide additives.

RESUMO

Este trabalho visou o estudo das propriedades mecânicas e resistência à oxidação do nitreto de silício sinterizado a 1800 ^oC, durante 30, 60, 120 e 240 minutos, sob pressão de 1,8 MPa de nitrogênio, aditivado com misturas de óxido de ítrio e sílica, em comparação com concentrado de óxidos de ítrio e terras raras e sílica. Diversas propriedades foram estudadas: A densificação foi calculada a partir das densidades real e teórica das amostras, cujos resultados variaram de 89,39 a 98,84%. Foram realizados testes de dilatometria, com taxa de aquecimento de 20^oC/min, cuja finalidade foi verificar os possíveis estágios de sinterização das misturas. Foram verificados 3 estágios de sinterização apesar da apresentar uma complexidade maior que a encontrada na literatura. A resistência à flexão foi medida em quatro pontos, a 25 e 1200^oC. Os resultados variaram de 394 a 509 MPa, para os testes a 25^oC, e de 213 a 315 MPa, para os testes a 1200^oC, para as amostras sinterizadas a 1800^oC. As amostras sinterizadas a 1800^oC e tratadas a 1400^oC, durante 8 horas, apresentaram resultados de 398 a 531 MPa e 185 a 206 MPa, a 25 e 1200^oC, respectivamente. Foi determinado o coeficiente de Weibull para algumas amostras, referentes à resistência à flexão a 25^oC, encontrando valores entre 9 a 20. A tenacidade à fratura foi determinada pelo método ISB (Indentation Strength in Bending), cujos valores encontrados foram de 5,77 a 7,66 MPa.m^1/2, para as amostras sinterizadas e tratadas termicamente após sinterização. A dureza foi determinada por indentação Vickers, utilizando-se carga de 10 kg, cujos resultados variaram de 8,17 a 13,6 GPa. As amostras aditivadas com concentrado de terras raras apresentaram valores superiores às aditivadas com óxido de ítrio, em todas as propriedades mencionadas acima. Os testes de resistência à oxidação foram realizados em forno elétrico, ao ar estacionário, a 1400^oC, durante vários tempos. As amostras aditivadas com óxido de ítrio apresentaram maior resistência à oxidação, em relação às aditivadas com concentrado de terras raras, para tempos superiores a 16 horas. Em função dos resultados obtidos, pode-se concluir que o concentrado de óxidos de ítrio e terras raras pode substituir o óxido de ítrio, como aditivo de sinterização do Si₃N₄, por um custo menor e propriedades mecânicas superiores.

ABSTRACT

In this work a comparative study of the properties of silicon nitride ceramics doped with yttrium oxide/silicon oxide or rare earth concentrate/silicon oxide was carried out. The samples were sintered at 1800 ^oC during 30, 60, 120 e 240 minutes, under 1.8 MPa nitrogen pressure. Several properties have been investigated: The densification was calculated based on the bulk and theoretical densities of the samples, with results varying from 89,39 to 98,84%. Dilatometer tests were conducted with a 20ºC/min heating rate, with the purpose to identify different sintering stages. It was possible to identify 3 stages despite that sintering presented a more complex behavior than described in the literature. The four-point flexural strength was determined at 25 ^oC and 1200 ^oC. The results varied from 394 to 509 MPa at room temperature and from 213 to 315 MPa at 1200 ^oC for the sintered samples. Sintered and heat-treated samples exhibited flexural strengths varying from 398 at 531 MPa at 25 ^oC and 185 to 209 MPa at 1200 ^oC. The Weibull coefficient has been determined for some samples at room temperature obtaining values between 9 and 20. The fracture toughness has been determined by the ISB-method (Indentation Strength in Bending),varying from 5.77 to 7.66 MPa.m^1/2 for sintered and treated samples . The Vickers's hardness was determined under a 10 kg load, obtaining results varying from 8.17 to 13.6 GPa. Samples doped with rare-earth concentrate show superior mechanical properties in relation to yttrium oxide-doped material. Oxidation tests were performed in an electrical resistance furnace under air at 1400^oC for various periods of times. Samples doped with yttrium oxide exhibited superior oxidation resistance in relation to rare-earth concentrate doped materials, for time periods above 16 hours. The results show that rare-earth concentrate is a substitute for yttrium oxide as sintering aid without changing the mechanical properties and at low cost.

(*)

Endereço atual: Divisão de Mecânica e Eletricidade, Instituto de Pesquisas Tecnológicas, IPT, S. Paulo, S.P..

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Jun 2001
• Data do Fascículo
  Ago 1998