Densificação de Carboneto de Silício Aprimorada: Sinterização por Plasma de Faísca com Aditivos Nanocompósitos Si-SiC de Plasma DC Térmico

Resumo

Partículas nanocompósitas de SiC revestido com Si (Si-SiC) foram sintetizadas via plasma DC térmico de arco não transferido a partir de pó de SiC no estado sólido. Estas partículas foram empregadas como aditivos de sinterização em sinterização por plasma de faísca (SPS) de SiC de tamanho micrométrico. A carga ótima de 10% em peso Si-SiC, combinada com 0,2% em peso de carbono ativado, produziu densidade relativa de 97,1% e dureza Vickers de 31,4 GPa a 1800 °C para tempo de manutenção de 1 min. Este trabalho demonstra uma rota de SiC de alta densidade e baixa temperatura que aproveita efeitos de nano-tamanho e ligação por reação exotérmica silício-carbono.

Introdução

Cerâmicas de carboneto de silício são valorizadas por sua excepcional dureza a alta temperatura, resistência ao desgaste, baixa expansão térmica e tolerância à corrosão, tornando-as indispensáveis em pás de turbinas, motores diesel, aeroespacial e reatores nucleares. No entanto, a ligação covalente Si-C e a lenta auto-difusão dificultam a densificação sem aditivos. Rotas tradicionais — SiC sinterizado em estado sólido (SSS-SiC) e SiC sinterizado em fase líquida (LPS-SiC) — requerem temperaturas acima de 1850 °C e frequentemente introduzem fases secundárias que reduzem desempenho a alta temperatura. SiC ligado por reação (RB-SiC) oferece temperaturas de sinterização mais baixas, mas sofre de densidade pobre. Assim, reduzir a temperatura de sinterização mantendo integridade mecânica é um desafio-chave de pesquisa.

SiC nanoparticulado emergiu como via promissora; sua alta área de superfície acelera a sinterização e pode melhorar propriedades finais. Desenvolvemos portanto um método para revestir SiC com uma fina camada de Si via plasma DC térmico não transferido, criando uma nanopartícula composta Si-SiC que serve como densificador eficaz e de aditivo mínimo.

Experimental

Síntese de SiC de Tamanho Micrométrico

Si (média 25 µm, 99,9%) e carbono ativado (32 µm) foram misturados na razão molar 1:1,5 e moídos por 15 h. A mistura foi calcinada a 1300 °C por 2 h em Ar (1 L min⁻¹). O pó β-SiC resultante foi moído para uso posterior.

Nanopartículas Si-SiC Geradas por Plasma

Usando um reator de plasma térmico de arco não transferido, o pó de SiC micrométrico foi alimentado através de um tubo de 2 mm a 70 V e 1 g min⁻¹. O sistema operou a 200 Torr, 30 L min⁻¹ Ar, 3 L min⁻¹ H₂ e 300 A (45 V). Nanopartículas foram coletadas das paredes do reator; o rendimento foi 80-85%.

Sinterização por Plasma de Faísca

Misturas de SiC micrométrico e nanopartículas Si-SiC (5-15% em peso) foram compactadas em matriz de grafite de 20 mm sob 80 MPa. SPS foi realizada em vácuo (10⁻² Torr) com taxa de aquecimento de 600 °C min⁻¹, visando 1600-1800 °C. Tempos de manutenção variaram de 0 a 1 min a 1800 °C. Algumas amostras receberam 0,1-0,2% em peso de carbono ativado para promover ligação por reação. Densidade foi medida por Arquimedes; dureza Vickers por indentador de 10 kgf.

Caracterização

XRD (Cu-Kα) avaliou composição de fase; SEM (JSM-5900) e TEM (JEM-2010) examinaram morfologia. Deslocamento de encolhimento foi registrado durante sinterização.

Resultados e Discussão

XRD confirmou β-SiC em ambas amostras micro e nano; esta última também continha traços de Si e SiO₂ de decomposição parcial e oxidação. SEM mostrou partículas micrométricas de 2-5 µm e nanopartículas Si-SiC de 20-70 nm (área de superfície 69 m² g⁻¹).

O aumento da temperatura de sinterização melhorou densidade relativa e dureza; a 1800 °C e 1 min de manutenção, a mistura 90:10 (SiC:Si-SiC) atingiu 88,2% de densidade e 21,2 GPa de dureza. A adição de 0,2% em peso de carbono ativado aumentou estes valores para 97,1% de densidade e 31,4 GPa de dureza, indicando ligação por reação efetiva entre silício livre nas nanopartículas e carbono.

Micrografias revelaram crescimento de grão de 2-4 µm a 1800 °C, com densificação acelerada sob a reação exotérmica silício-carbono. Dados de encolhimento corroboraram densificação aprimorada, especialmente em amostras contendo carbono ativado.

Mecanicamente, as nanopartículas Si-SiC atuam de duas formas: sua alta área de superfície promove difusão rápida (efeito nano-tamanho), e o silício liberado reage exotermicamente com carbono adicionado, elevando localmente a temperatura e acelerando a sinterização (efeito ligação por reação).

Conclusões

Demonstramos que nanopartículas de SiC revestidas com Si, produzidas por plasma DC térmico, servem como densificador eficiente e de baixo aditivo para cerâmicas de SiC. Uma carga de 10% em peso combinada com 0,2% em peso de carbono ativado produz 97,1% de densidade relativa e 31,4 GPa de dureza Vickers a 1800 °C, superando métodos convencionais. A dupla contribuição de difusão aprimorada por nano-tamanho e ligação por reação silício-carbono oferece rota viável para SiC de alto desempenho a temperaturas reduzidas.