Reforço Sinérgico de Nanocompósitos Cu/Ti₃SiC₂/C com Grafeno e MWCNTs: Microestrutura e Desempenho Mecânico

Resumo

A combinação de nanotubos de carbono de parede múltipla (MWCNTs) unidimensionais com grafeno bidimensional cria uma interface sinérgica que melhora a dispersão, molhabilidade e ligação de partículas de reforço em uma matriz de cobre. Usando liga mecânica, prensagem a quente a vácuo (VHP) e prensagem isostática a quente (HIP), fabricamos nanocompósitos Cu/Ti₃SiC₂/C com razões variadas de grafeno e MWCNTs. Difração de raios X, microscopia óptica, SEM, TEM e EPMA revelaram microestrutura fina e bem ligada. Testes mecânicos mostraram que a composição ótima — 0,8% em peso MWCNTs e 0,2% em peso grafeno — entrega a maior dureza e resistência à tração, devido a refinamento de grão, transferência de carga, fortalecimento Orowan e adesão interfacial. Estas descobertas confirmam que uma estratégia de reforço de carbono de fase dual pode melhorar marcadamente o desempenho de compósitos baseados em Cu.

Introdução

Compósitos cobre-grafite combinam a excelente condutividade do cobre com propriedades autolubrificantes do grafite, tornando-os atraentes para aplicações aeroespaciais, eletrônicas e automotivas. Ti₃SiC₂ adiciona estabilidade a alta temperatura, resistência à oxidação e condutividade térmica. No entanto, compósitos Cu/Ti₃SiC₂/C por si só ainda ficam aquém em resistência e resistência ao desgaste. A introdução de reforços na nanoescala — MWCNTs e grafeno — pode melhorar essas propriedades, mas desafios como dispersão pobre, molhabilidade limitada e interfaces fracas têm impedido progresso. Estudos recentes sugerem que um híbrido de MWCNTs e grafeno pode formar uma rede de alta área de contato, melhorando transferência de carga e ligação interfacial.

Métodos/Experimental

Pós brutas de Cu, Ti₃SiC₂, grafite, MWCNTs e nanoflocos de grafeno foram primeiro dispersas por agitação ultrassônica. Modificações de superfície foram realizadas usando plasma Ar-NH₃ e soluções de baixa concentração de Rutina ou ácido gálico para melhorar molhabilidade. Moagem de bola de alta energia (mídia de ágata) misturou os pós na proporção de massa 10:1 com álcool tert-butílico como ligante. A mistura resultante foi seca e então sinterizada via VHP (950 °C, 20 MPa, 2 h) seguida por HIP (900 °C, 100 MPa, 2 h). Densidades relativas foram medidas pelo princípio de Arquimedes. Microestrutura foi examinada por OM, XRD, SEM/EDS e TEM. Testes de dureza, compressão e cisalhamento foram conduzidos em máquina de ensaio universal a 0,5 mm/min. Todos os dados foram comparados entre composições de 0,8% grafeno/0,2% MWCNT, 0,5/0,5 e 0,2/0,8.

Resultados e Discussão

Microestrutura do Pó e Identificação de Fases

Imagens SEM confirmaram que MWCNTs ligaram partículas de Cu enquanto camadas de grafeno dispersaram na matriz, reduzindo aglomeração. Padrões XRD mostraram retenção de fases Cu, Ti₃SiC₂ e grafite, sem evidência de oxidação ou reações indesejadas. Liga mecânica preservou integridade de fase enquanto promoveu contato íntimo entre reforços e matriz de cobre.

Microestrutura do Compósito

Metalografia revelou matriz de Cu contínua intercalada com grãos de Ti₃SiC₂ e clusters isolados de grafite ou carbono. Ti₃SiC₂ decomposto a 950 °C em TiC e Si, este último formando soluções sólidas Cu₉Si que aumentam a ligação interfacial. Mapeamento EPMA confirmou distribuição uniforme de Cu, Ti, Si, C e La (adicionado para densificação).

Transformações de Fase Durante Sinterização

Análise termodinâmica confirmou que Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = -106,5 kJ mol⁻¹) é espontânea. Reações subsequentes (Si + 9Cu → Cu₉Si) e (C + Si → SiC) também foram exotérmicas, levando às fases TiC e Cu₉Si observadas na microestrutura final.

Propriedades Mecânicas

Dureza diminuiu apenas ~9% ao aumentar grafeno de 0,5% para 0,8% em peso, indicando que grafeno excessivo promove aglomeração e porosidade. Resistências à tração e compressão declinaram ~12% a 0,8% grafeno, enquanto resistência ao cisalhamento reduziu ~20% — todos consistentes com ligação interfacial mais fraca e aumento de microfissuras. A composição ótima 0,8% MWCNT/0,2% grafeno exibiu a maior densificação (≈97% teórica) e desempenho mecânico.

Análise de Fratura à Tração

SEM de superfícies de fratura mostraram covinhas típicas e facetas de clivagem, com evidência de pull-out de grafeno e fragmentação de MWCNTs. Folhas de grafeno aglomeradas contribuíram para iniciação de microfissuras, enquanto MWCNTs bem distribuídos melhoraram transferência de carga. O equilíbrio destes efeitos determina a tenacidade geral.

Conclusões

1. Prensagem a quente a vácuo e HIP produzem efetivamente compósitos Cu/Ti₃SiC₂/C reforçados com MWCNTs e grafeno.
2. Sinergia surge de alta compactação, dispersão homogênea e forte ligação interfacial.
3. O melhor desempenho mecânico é alcançado com 0,8% MWCNTs e 0,2% grafeno; além disso, aglomeração degrada propriedades.
4. Melhorias derivam de refinamento de grão, transferência de carga, Orowan e fortalecimento interfacial.