BR102019023596A2

BR102019023596A2 - processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido

Info

Publication number: BR102019023596A2
Application number: BR102019023596-9A
Authority: BR
Inventors: Thomaz Augusto Guisard Restivo
Original assignee: Fundação Dom Aguirre
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-25

Abstract

A presente invenção trata do processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal e do material assim obtido, contendo cerne denso e envoltório poroso, os quais se trata de materiais compósitos para formação de corpos cerâmicos que otimizam o aproveitamento térmico de sistemas como queimadores, fornos, reatores e exaustores, apresentando uma estrutura contendo uma fase metálica de formato lamelar encapsulada em fase cerâmica densa internamente ao corpo cerâmico, enquanto que a camada externa do corpo cerâmico é porosa e isolante térmica.

Description

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO

[001] A presente invenção trata do processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal e do material assim obtido, contendo cerne denso e envoltório poroso, os quais se tratam de materiais compósitos para formação de corpos cerâmicos que otimizam o aproveitamento térmico de sistemas como queimadores, fornos, reatores e exaustores, apresentando uma estrutura contendo uma fase metálica de formato lamelar encapsulada em fase cerâmica densa internamente ao corpo cerâmico, enquanto que a camada externa do corpo cerâmico é porosa e isolante térmica.

CAMPO DE APLICAÇÃO

[002] O processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, objeto da presente invenção, resulta em um produto para formação de corpos cerâmicos de material compósito cerâmica-metal, destinado, preferencialmente, para ser utilizado como material de blindagem de radiação térmica na isolação térmica de fornos, sistemas e reatores aquecidos, atuando através de múltiplas reflexões de lamelas metálicas de baixa emissividade. Os compósitos cerâmica-metal, aqui descritos, contêm uma fase metálica de formato lamelar encapsulada em fase cerâmica densa internamente ao corpo cerâmico, enquanto que a camada externa do corpo cerâmico é porosa e isolante térmica. O material é preparado de forma a manter todos os seus constituintes orientados na direção de um plano, sejam eles metálicos, cerâmicos ou poros orientados e alongados, podendo ser apresentado pelo menos em duas formas básicas: corpos cermetos na forma de discos ou outra geometria planar e pós micrométricos com aspecto de escamas “FLAKE’.

OBJETIVO DA INVENÇÃO

[003] O processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, objeto da presente invenção, tem por objetivo oferecer ao mercado pertinente, um novo material compósito cerâmica-metal, de fácil obtenção, através de um processo simples, e de custo reduzido, porém de alta eficiência térmica, oferecendo maior isolação térmica de componentes aquecidos, mantendo o calor em seu interior através de múltiplas reflexões de micro-placas metálicas blindantes, enquanto mantém baixa a condutividade térmica através do material, otimizando assim, o aproveitamento térmico de sistemas como queimadores, fornos, reatores e exaustores, entre outros.

PROBLEMA A SER RESOLVIDO

[004] Os materiais isolantes térmicos, frequentemente, contêm componentes de blindagem de radiação como placas metálicas e painéis cerâmicos, além de opacificantes como TiO2 e sílica expandida (pirogênica) de baixa densidade, os quais provocam espalhamento da radiação incidente, bem como, ainda contém alguns aditivos absorvedores de radiação térmica, como fuligem de carbono e negro-de-fumo (A. Berge, Par Johansson, Literature Review of High Performance Thermal Insulation, Report 2012:2, 2012, Chalmers University Of Technology; J. Fricke, U. Heinemann, H.P. Ebert, Vacuum 82 (2008) 680-690).

[005] Os materiais de maior capacidade de isolação térmica são painéis multi-camadas empilhados a vácuo conhecidos como “Vacuum Insulation Panels” (VIP) e “Nano Insulation Materials” (NIM), os quais atingem baixos níveis de condutividade térmica menores que 0,02 W/mK em temperatura ambiente e pressão normal. Esses materiais possuem densidades muito baixas da ordem de 0,02 kg/m3, sendo adequados para aplicações em temperaturas ambientes ou sub-zero. Esses painéis evacuados são confeccionados com folhas metálicas, fibras poliméricas, espumas, pós ou lã de vidro.

[006] Entretanto, vazamentos no vácuo do conjunto levam à degradação de suas propriedades isolantes.

[007] Os materiais VIP e NIM sofrem degradação ou não se adéquam para aplicações além de 200 oC ou 500 oC, dependendo de seu tipo, uma vez que os materiais componentes sofrem degradação ou decomposição térmica.

[008] No caso de isolantes térmicos de alta temperatura, foi desenvolvido um material isolante térmico multicamada (sigla MTI) consistindo em camadas cerâmicas refletivas revestidas com metal ou telas metálicas de baixa emissividade e, portanto, blindadoras de radiação térmica, separadas por espaçadores e empilhadas com a forma de sanduíche. A condutividade térmica do MTI pode ter valores tão baixos quanto 0,1 W/mK a 800 oC, devido a redução do fluxo de transferência de calor por irradiação proporcionado por essas blindagens (M. Tychanicz-Kwiecieri, J. Wilk and P. Gil, Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 33, No. 1 (2019), pp. 271-284).

[009] Isolantes cerâmicos para altas temperaturas a base de fibra de vidro, alumina ou silica-alumina, na forma de mantas e painéis porosos, possuem baixa condutividade térmica e boas propriedades isolantes de câmaras quentes. Entretanto, esses materiais são translúcidos quanto à radiação térmica infravermelha emitida pelas câmaras e materiais em temperaturas elevadas. Sendo assim, a transferência de calor por irradiação é elevada, causando perdas térmicas elevadas.

[010] A principal inovação da presente invenção, ou seja, o processo de preparação conduzindo ao material proposto, é obter um material com uma morfologia microestrutural projetada, contendo camadas de baixa emissividade na forma de microplacas ou lamelas para a blindagem de radiação, as quais são encapsuladas por cerâmica porosa de baixa condutividade térmica, com propriedades direcionais. Em adição, o material descortinado é preparado na forma consolidada e oferecido a granel, o qual se posiciona por si só durante a aplicação em espaços para isolação térmica junto ao dispositivo aquecido como um pó, através de fluidização ou disperso em veículos líquidos como tintas, primers ou outro líquido. Assim, este material reduz, portanto, ambas, a transferência de calor por irradiação e a condutividade térmica aparente, em altas temperaturas, conduzindo a uma maior eficiência térmica dos sistemas e economia energética.

ESTADO DA TÉCNICA

[011] Existem alguns documentos científicos e de patente que descrevem materiais compósitos cerâmica-metal, obtidos por diferentes processos e para várias aplicações, porém, nenhum desses documentos descreve o processo conforme apresentado nesta invenção e nem as características morfológicas, propriedades físicas e químicas, e vantagens e do material aqui obtido. Dentre esses documentos, podem-se destacar os seguintes:

[012] O documento de patente WO2010031662 (PT2334836E) e BRPI0913538A2 (descontinuada), “MATERIAL COMPÓSITO HIERÁRQUICO, PROCESSO DE FABRICAÇÃO POR VAZAMENTO DE MATERIAL COMPÓSITO HIERÁRQUICO E FERRAMENTA OU MÁQUINA”, que descreve um material cerâmico-metal compósito hierárquico contendo matriz metálica de ferro fundido ou aço que envolve partículas globulares de carboneto de titânio, ou seja, uma cerâmica cujo material e seus derivados são distintos da presente invenção por objetivar reforçar o material, distinto em termos de morfologia, de processo de fabricação e aplicações voltadas para desgaste;

[013] O documento de patente CN1600538, “METHOD FOR PREPARING COMPOSITE MATERIAL OF HIERARCHICAL STRUCTURE OF INORGANIC CERAMICS/METAL”, que descreve um material compósito cerâmica-metal que mimetiza estruturas hierárquicas presentes em madeira e fibras orgânicas, utilizando métodos de infiltração ou impregnação, objetivando melhorar as propriedades mecânicas do compósito;

[014] O documento de patente EP2342272, “PREPARATION OF NANOSTRUCTURED MICROPOROUS COMPOSITE FOAMS”, que descreve um processo de obtenção de metais e cermetos com estrutura de poros hierárquica a partir do emprego de substratos contendo micelas e nanotubos, fitas e fibras, onde os elementos metálicos são incorporados por deposição auto catalítica (electroless coating);

[015] O documento de patente US2014087202, “METAL MATRIX CERAMIC COMPOSITE AND MANUFACTURING METHOD AND APPLICATION THEREOF”, que trata de uma técnica de obtenção de compósitos cerâmica-metal por métodos de fundição sob pressão (squeeze casting) em matrizes e formas regulares utilizando telas metálicas;

[016] O documento de patente US5308422, “METHOD OF MAKING CERAMIC/METAL COMPOSITES WITH LAYERS OF HIGH AND LOW METAL CONTENT”, que descreve um método de obtenção de camadas cerâmicas sucessivas com diferentes porosidades para infiltração com metais;

[017] O documento de patente WO1998053940, “METAL-CERAMIC GRADED-INDEX MATERIAL, PRODUCT PRODUCED FROM SAID MATERIAL, AND METHOD FOR PRODUCING THE MATERIAL”, que descreve um material cermeto onde a concentração de metal sofre um gradiente ao longo da espessura, com aplicações como barreira térmica;

[018] O documento de patente WO1999054655, ‘‘THERMAL INSULATION TO BE INSERTED BETWEEN TWO INSULATING STRUCTURES", que descreve um material isolante térmico de enchimento na forma de microesferas ocas, onde uma variante cita o processo de tape casting; e

[019] O documento de patente US5280819, “METHODS FOR MAKING THIN METAL MATRIX COMPOSITE BODIES AND ARTICLES PRODUCED THEREBY", que descreve uma técnica de preparação de material poroso por tape casting para infiltração com metal fundido;

[020] O documento de patente US3715265, “COMPOSITE THERMAL INSULATION", que descreve um material composto de camadas intercaladas de materiais de baixa condutividade térmica, como zircônia e outros óxidos e carbonetos ou negro de fumo, onde são interpostas folhas metálicas, diferindo da presente invenção pelo fato de que, nesta última, os materiais estão dispersos no interior da mircroestrutura e alinhados segundo o plano do material em forma de discos ou escamas, bem como contendo regiões densas onde o metal é encapsulado, sendo que essas regiões são envoltas por corpo cerâmico poroso.

[021] O artigo publicado no periódico Procedia Structural Integrity 1 (2016) 305-312 mostra um método de preparação de cermeto Ni-Alumina de tubos com gradientes de composição via processo de colagem de barbotina.

[022] Alguns produtos para revestimentos através de aspersão a plasma e outras técnicas de revestimento são compostos de uma mistura de cerâmicos e metais globulares, como o produto: “Alumina/Nickel Aluminum Cermet Thermal Spray Powder’ (https: //www.oerlikon.com /ecomaXL/ files/metco/oerlikon_DSMTS- 0066.3_Al2O3_NiAl_Cermet.pdf&download=1), composto de alumina e liga Ni-Al.

[023] Invariavelmente, tais materiais diferem dos conceitos, métodos e materiais descortinados na presente invenção, onde o material é preferencialmente fornecido já processado e a granel ou como formas discoides, com microestrutura projetada. O mesmo pode ser dito para o material com camadas de cermetos com gradientes de concentração utilizados como barreiras de calor publicado em IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 60 (2014) 012053, além de outros métodos de aplicação em superfícies, como publicado em Surface and Coatings Technology 168(2-3):275-280.

[024] Os documentos apresentados diferem da presente invenção por não descreverem morfologias específicas dos constituintes metálicos, cerâmicos e poros orientados ao longo de um plano, e também por não incluir o encapsulamento do metal lamelar em regiões densas no interior do corpo poroso, segundo o aspecto de um hipercubo projetado em perspectiva de três dimensões, além de outras particularidades apenas encontradas na presente invenção.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[025] A seguir, faz-se referência às figuras que acompanham este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê:

[026] A figura 1 mostra um esquema da formação morfológica dos compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, objeto da presente invenção, destacando um cubo denso dentro de outro cubo poroso, o qual foi expandido do primeiro.

[027] A figura 2 mostra um esquema da formação morfológica dos compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, objeto da presente invenção, em formato de escamas, que se sobrepõem paralelamente entre si no interior do granulado ou corpo, destacando as propriedades de redução a transferência de calor por irradiação e a condutividade térmica aparente em altas temperaturas, conduzindo à diminuição de perdas térmicas e maior eficiência energética.

[028] A figura 3 mostra um esquema do processo de preparação do material compósito cerâmica-metal, o qual se dá através de técnicas de colagem de fitas (tape casting) ou semelhantes, de modo a orientar os constituintes lamelares metálicos, cerâmicos e poros, envolvendo uma série de etapas de simples execução, destacando o fluxograma do mesmo.

[029] A figura 4 mostra fotos da microestrutura do material compósito cerâmica-metal, destacando diversas lamelas ou micro-chapas planas de metal dispersas e sobrepostas entre si, em geral, não se tocando, envoltas em matriz cerâmica densa ou com pequenos poros fechados.

[030] A Figura 5 mostra a compilação dos resultados dos materiais preparados nos exemplos medidos em difusivímetro flash com impulsão de 5000 joules de luz xenônio, em porta-amostra para pós, onde o difusivímetro mede a difusividade térmica, a qual, multiplicada pela densidade medida e capacidade térmica calculada, fornece o valor da condutividade térmica, ensaio este realizado em diversas isotermas até 800 oC, onde se observa que os materiais da invenção se destacam por reduzir os valores de condutividade térmica a partir de 500 oC, invertendo a tendência natural de elevação dos valores com a temperatura.

DESCRIÇÃO GERAL DA INVENÇÃO

[031] O processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, objeto da presente invenção, trata-se de um processo de preparação que é composto de uma série de etapas simples realizadas em equipamento e ferramental convencional, sem necessitar de máquinas industriais complexas e fornos sofisticados.

[032] O material compósito cerâmica-metal, produzido segundo o processo desta invenção, possui microestrutura projetada com morfologia lamelar e em escamas, onde micro-placas ou lamelas metálicas são e encontram-se encapsuladas e protegidas da oxidação por regiões cerâmicas lamelares densas, sendo essas regiões envolvidas por camada de cerâmica porosa, conformando escamas de dimensões micrométricas.

[033] Enquanto que as lamelas metálicas atuam como blindagem de radiação térmica, devido a sua baixa emissividade e alta reflectividade, as camadas porosas conferem baixa condutividade térmica, conduzindo a um material com condutividade térmica aparente bastante reduzida, especialmente em altas temperaturas. Este novo material com sua configuração especialmente projetada, não possui similar, segundo o estado da arte atual.

[034] Processo de obtenção de material compósito cerâmica-metal e o material resultante em si, tratam-se de um processo resultante em um material onde a fase metálica de formato lamelar encontra-se encapsulada em fase cerâmica densa internamente ao corpo cerâmico, enquanto que a camada externa do corpo cerâmico é poroso e isolante térmico. O material é preparado de forma a manter seus constituintes orientados na direção de um plano, sejam constituintes metálicos, cerâmicos ou poros orientados e alongados. O material compósito cerâmica-metal se apresenta em duas formas, sendo: como corpos cermetos na forma de discos ou outra geometria planar e como pós micrométricos com aspecto de escamas “FLAKE’. As aplicações pretendidas envolvem o emprego como material de blindagem de radiação térmica na isolação térmica de fornos, sistemas com fluxo e exaustão de gases quentes e reatores aquecidos, atuando através de múltiplas reflexões de lamelas metálicas de baixa emissividade.

[035] O processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso, objeto da presente invenção, consta basicamente de 12 etapas principais do processo, sendo: Etapa 1: onde se faz o processamento do pó metálico por moagem de alta energia ou equivalente; Etapa 2: onde se faz a adição de partículas cerâmicas de revestimento do pó metálico, onde a matriz cerâmica é composta de zircônia, alumina, magnésia, silicatos, carbetos, nitretos e outras cerâmicas em pó, não restritas às citadas, ou misturas entre estas, com tamanhos de partícula de 0,1 a 50 microns, preferencialmente, entre 0,1 e 10 microns; Etapa 3: onde ocorre a formação das micro-placas ou lamelas metálicas; Etapa 4: onde se faz e primeira suspensão com adição de etanol e aditivos orgânicos para formar a (INNER) com teor metálico desde 1 a 95% em volume, sendo o restante o pó da matriz cerâmica, sendo mais apropriado utilizar de 5 a 30% em volume de metais, onde os tipos de aditivos empregados são aglomerantes, lubrificantes, dispersantes e agentes antiaderentes e anti-espumantes, que incluem polivinil butiral (PVB), polietileno glicol (PEG), ácido para-aminobenzóico (PABA), ácido esteárico, álcool poli-vinílico (PVA) e silicato de sódio, quer seja o veículo empregado, álcool ou aquoso, não restritos a esses compostos aditivos e não empregando obrigatoriamente todos os tipos de aditivos citados; Etapa 4a: paralelamente, uma suspensão auxiliar, preferencialmente com o mesmo tipo de cerâmica da primeira suspensão, e aditivos descritos e selecionados é preparada, isenta de metais, denominada "CAP”, com as suspensões INNER e CAP preparadas e homogeneizadas por métodos de mistura convencionais onde preferencialmente, empregam até 15% em massa de aditivos; Etapa 5: realização da primeira colagem de fitas por tape casting em mesa plana com aplicador regulável na forma de régua (doctor blade) é realizada em 3 camadas sobre um substrato, como um filme de poliéster, polietileno ou outra fita larga, ou equivalente; Etapa 6: granulação com raspadores realizada no material depositado em camadas seco ou semi-seco em um período que varia entre 3 horas a 24 horas, em temperatura ambiente, obtendo escamas ou pós escamosos, cujas partículas tenham larguras médias de 1 a 500 microns, preferencialmente, de 20 a 250 microns e espessuras entre 1 e 300 microns, preferencialmente, de 5 a 50 microns; Etapa 7: Pré-siterização, o material seco e calcinado é levado a forno de sinterização, onde se estabelece um ciclo térmico com taxa de aquecimento de 1 a 30 oC/min, preferencialmente, de 3 a 10 oC/min, em atmosfera oxidante ou ar até 600 - 800oC, seguido de aquecimento até a faixa 1100 -2000 oC sob atmosfera inerte ou redutora, em função da matriz cerâmica utilizada, após o período de pré-sinterização o material é resfriado; Etapa 8: realização da segunda suspensão cerâmica formulada com o pó compósito cerâmica-metal pré-sinterizado, onde se adiciona mais pó cerâmico matriz atingindo o teor final de metais dispersos entre 10 e 50% em volume, preferencialmente, entre 15 e 25% em volume de metais, onde os aditivos citados e outros aditivos formadores de poros alongados e veículos fluídos são novamente adicionados para compor a suspensão; Etapa 9: realiza-se uma segunda colagem de fita, de modo semelhante à primeira, com uma camada única de espessuras desde 50 micros até 1000 microns, preferencialmente, entre 100 e 500 microns, dando origem a fita ou camada final do produto; Etapa 10: formação de escamas FLAKE (hiper-cermet) e discos ou corpos cerâmicos compósitos cerâmica-metal (hiper-cermet); Etapa 11: sinterização final na mesma forma na pré-sinterização, com os FLAKES e os discos ou corpos cerâmicos compósitos cerâmica- metal com colagem de fitas final, onde é realizada sobre molde de chapa perfurada, sendo calcinados e depois resfriados; e Etapa 12: obtenção do material final.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[036] O objeto da presente invenção, compósito cerâmica-metal (hiper-cermet), é uma classe de materiais de microestrutura projetada contendo camadas micrométricas metálicas de baixa emissividade, micro-placas ou lamelas metálicas, encapsuladas em material cerâmico de baixa condutividade térmica, desde 0,1 a 30 W/mK. Em adição, esses materiais podem ser preparados em pó, granulado ou flocos a granel, cujas faces têm dimensões muito superiores em relação à espessura, desde 5 a 100 vezes, portanto, com morfologia de escamas. Esta morfologia de partículas planares se orienta por si só paralelamente às superfícies a serem isoladas termicamente, ou seja, na direção perpendicular ao fluxo térmico. Assim, o pó ou granulado plano pode ser aplicado através de simples preenchimento por gravidade do volume isolante, ou mesmo pela sua fluidização em meios gasosos ou aplicado na forma de dispersão em veículos líquidos, como tintas e primers ou outros veículos. O desenho do compósito cerâmica-metal (hiper-cermet) reduz a transferência de calor por irradiação e a condutividade térmica aparente em altas temperaturas, conduzindo à diminuição de perdas térmicas e maior eficiência energética (Figuras 1 e 2).

[037] O material compósito cerâmica-metal (hiper-cermet) pode ser confeccionado em duas formas principais, não excluindo outros formatos possíveis: discos e pó granulado em escamas (FLAKE). No caso de discos, as dimensões são: diâmetro 1 a 6 mm e espessura 0,1 a 2 mm, em função do volume a ser isolado termicamente, não excetuando outras dimensões possíveis. Tipicamente, os discos preparados possuem diâmetro de 3-4 mm e espessuras de 100-400 microns. No caso de FLAKES, as dimensões das partículas podem ser menores, com espessuras desde 10 microns até 1000 microns, e larguras de 30 microns até 2000 microns, recomendando que a largura das partículas seja superior à espessura em pelo menos 5 vezes, não excluindo os casos em contrário.

[038] A microestrutura resultante do material compósito cerâmica-metal (hiper-cermet) é especialmente útil para blindar radiação térmica de superfícies aquecidas, reduzindo a transferência de calor entre componentes aquecidos e o ambiente exterior. A grande quantidade de lamelas metálicas encapsuladas no material, sobrepostas entre si ao longo da espessura de discos ou FLAKES, causa uma redução no fluxo de calor por radiação térmica mediante múltiplas reflexões, de acordo com o equacionamento a seguir.

[039] A formulação clássica dos sistemas de blindagem de radiação térmica considera duas superfícies de área A em temperaturas T1 e T2, sendo T1 maior que T2 [3,4] . A taxa de transferência de calor por irradiação Q12 entre essas duas superfícies é dada pela equação (1):

onde σ é a constante de Stefan - Boltzmann (σ = 5,6.10-8 W/m2K4).

[040] A equação (1) é válida caso as emissividades ε de todas as superfícies são iguais e fator de forma unitário, o que é uma boa aproximação de casos reais. Introduzindo algumas placas paralelas interpostas às superfícies, assinaladas de 3 a N, a equação resultante é:

[041] Conclui-se que a taxa de transferência de calor por radiação é reduzida N+1 vezes pela interposição de N placas metálicas no espaço entre a superfície aquecida e o exterior. A baixa emissividade dos metais com transmissividade nula implica em alta reflectividade.

[042] Uma vez que as lamelas metálicas estão encapsuladas em regiões densas previamente sinterizadas, essas são protegidas da oxidação em altas temperaturas e, portanto, mantém suas superfícies metálicas livres de óxidos e com alta reflectividade.

[043] Adicionalmente, a baixa condutividade térmica devido à presença de grande quantidade de poros, causada pela incorporação de aditivos formadores de poros em forma de escamas, reduz eficazmente a transferência de calor por condução no material isolante. Vale notar que o alinhamento de lamelas metálicas na direção perpendicular á transferência de calor, obtida pelo processo de colagem de fitas, causa a reflexão máxima do fluxo de calor por irradiação na direção radial contrária, uma vez que os fótons incidentes atingem as lamelas perpendicularmente e são refletidos com baixo espalhamento. De modo análogo, uma vez que as partículas de formadores de poros no formato de escamas ou lamelas, misturadas ao pó cerâmico, são também orientadas no processo de colagem de fitas, estas geram, após sua queima, poros planares e alongados, alinhados com o plano da fita. Desta feita, ocorre um espalhamento máximo de fônons responsáveis pela condução térmica no sentido perpendicular aos planos, reduzindo a condutividade térmica radial do material.

[044] O material é preparado de forma a manter seus constituintes orientados na direção de um plano, sejam constituintes metálicos, cerâmicos ou poros orientados e alongados.

[045] O processo de obtenção de material compósito cerâmica-metal e seu produto em si apresenta constituintes de uma fase metálica de formato lamelar que são encapsulados em fase cerâmica densa internamente ao corpo cerâmico, enquanto que a camada externa do corpo cerâmico é porosa e isolante térmica. O material descortinado é, assim, composto de regiões densas, contendo metal, no interior de uma região porosa, cuja estrutura dual se assemelha a um hiper-cubo 4-D visualizado em perspectiva 3-D, na medida em que a geometria do hiper-cubo mostra, analogamente, um cubo denso dentro de outro cubo poroso, o qual foi expandido do primeiro (Figura 1).

[046] O material compósito cerâmica-metal é, portanto, denominado de hiper-cermet ou hiper-cerâmica, na ausência de metal. O material possui os microconstituintes de formato lamelar alinhados segundo o plano de colagem ou das escamas, sendo que as lamelas metálicas se encerram em regiões densas, sobrepostas e paralelas entre si, enquanto as próprias regiões densas em grande número, também em formato de escamas, se sobrepõem paralelamente entre si no interior do granulado ou corpo poroso (Figura 2).

[047] O material é sinterizado e, portanto, possui rigidez e resistência frente a operações de manuseio e empilhamento, embora apresente baixa densidade aparente.

[048] Estes fatores são ideais para aplicações de carregamento e aplicação como isolante térmico, bem como para manter a integridade e resistência a impactos durante a vida em serviço.

[049] A preparação do material se dá através de técnicas de colagem de fitas (tape casting) ou semelhantes, de modo a orientar os constituintes lamelares metálicos, cerâmicos e poros. O processamento deste material envolve uma série de etapas de simples execução, como descrito e ilustrado no fluxograma da Figura 3.

[050] Os pós metálicos comerciais com tamanhos de partícula médios da ordem de 1 a 150 microns de níquel, aço inoxidável, cobre, alumínio ou outro metal são processados previamente por moagem de alta energia, ou outro tipo de cominuição ou método de deformação de partículas suficientemente energética, de modo a deformar as partículas até o formato de lamelas ou escamas, de larguras e comprimentos desde 10 até 250 microns e espessuras de 1 a 100 microns. O processo de moagem ou cominuição é conduzido durante 5 a 600 minutos, de acordo com o tipo de pó metálico, até que se observe a deformação das partículas na forma de micro-placas ou lamelas, podendo-se empregar de 5 a 30% em volume de aditivo cerâmico de tamanho de partícula entre 0,1 e 50 microns durante a moagem, preferencialmente, do mesmo material cerâmico da matriz do cermet. As partículas cerâmicas adicionadas durante a moagem ou deformação têm o objetivo de revestir por incrustação as superfícies do pó metálico e assim evitar a soldagem ou caldeamento das partículas metálicas, reduzindo seu tamanho e espessura finais, mantendo o aspecto de escama.

[051] Uma primeira suspensão cerâmica, denominada "INNER”, é preparada contendo as lamelas metálicas assim obtidas, com teor metálico desde 1 a 95% em volume, sendo o restante o pó da matriz cerâmica, sendo mais apropriado utilizar de 5 a 30% em volume de metais para os casos onde o produto final seja utilizado como isolante e blindagem de radiação térmicas. A matriz cerâmica é composta de zircônia, alumina, magnésia, silicatos, carbetos, nitretos e outras cerâmicas em pó, não restritas às citadas, ou misturadas entre estas, com tamanhos de partícula de 0,1 a 50 microns, preferencialmente, entre 0,1 e 10 microns. Esta suspensão utiliza veículos baseados em etanol, água ou outro meio líquido, acrescidos de aditivos e ligantes desde 1 a 50% em massa, mais especificamente de 3 a 20 % em massa. Os tipos de aditivos empregados são aglomerantes, lubrificantes, dispersantes e agentes antiaderentes e anti-espumantes, que incluem polivinil butiral (PVB), polietileno glicol (PEG), ácido para-aminobenzóico (PABA), ácido esteárico, álcool poli-vinílico (PVA) e silicato de sódio, quer seja o veículo empregado, álcool ou aquoso, não restritos a esses compostos aditivos e não empregando obrigatoriamente todos os tipos de aditivos citados.

[052] Paralelamente, uma suspensão auxiliar, preferencialmente com o mesmo tipo de cerâmica da primeira suspensão e aditivos descritos e selecionados é preparada, isenta de metais, denominada "CAP”. A suspensão auxiliar deve, preferencialmente, empregar até 15% em massa de aditivos. Em ambos os casos, as suspensões INNER e CAP são preparadas e homogeneizadas por métodos de mistura convencionais, como aqueles utilizando moinhos de bolas ou misturadores, atingindo viscosidades apropriadas para a colagem de fitas.

[053] Uma primeira operação de colagem de fitas (tape casting) em mesa plana com aplicador regulável na forma de régua (doctor blade) é realizada em 3 camadas sobre um substrato, como um filme de poliéster, polietileno ou outra fita larga, ou mesmo sobre uma mesa de granito, mármore ou outra superfície lisa e uniforme. A sequência de aplicações de camadas compreende uma primeira aplicação realizada com a suspensão cerâmica auxiliar CAP (sem metais) em espessura de 10 a 200 microns, de acordo com a abertura da luz da régua aplicadora, mais especificamente, de 30 a 100 microns, a qual é deixada em repouso protegida de correntes de ar pelo tempo necessário para sua secagem parcial ou total. Em seguida, a régua aplicadora é ajustada para espessura de 30 a 1000 microns, considerando a espessura do filme CAP já depositado, mais especificamente, entre 100 a 400 microns, e aplicada à camada contendo a suspensão INNER contendo lamelas metálicas dispersas. Na sequência, uma terceira camada de suspensão CAP é aplicada sobre a segunda camada INNER, de modo semelhante à primeira camada. Em um modo alternativo de execução do processo de preparação nesse ponto, uma primeira camada de suspensão CAP é aplicada, seguida de uma segunda camada de INNER, como descrito no modo anterior, sendo que o conteúdo metálico da suspensão INNER que a distingue da suspensão CAP tende a decantar parcialmente devido a maior densidade do metal em suspensão, deixando na superfície superior uma camada livre de metais que é semelhante à suspensão CAP. Em uma terceira alternativa da primeira operação, caso o metal empregado seja menos denso que a cerâmica contida na suspensão INNER, como o caso de alumínio metálico em alumina, aplica-se uma primeira camada de suspensão INNER, onde as lamelas metálicas tendem a flotar à superfície formando uma camada inferior livre de metais, sendo que, após secagem conveniente, é aplicada uma camada superior de suspensão auxiliar CAP, completando o processo.

[054] O material depositado em camadas, após a primeira operação, é seco de forma lenta na ausência de correntes de ar ou, preferencialmente, coberto por capa impermeável, durante um período que varia entre 3 horas a 24 horas, em temperatura ambiente. Uma operação de granulação utilizando todo o tipo de raspadores e/ou deformando e esticando o substrato é realizada no material seco ou semi-seco, objetivando obter-se escamas ou pós escamosos, cujas partículas tenham larguras médias de 1 a 500 microns, preferencialmente, de 20 a 250 microns e espessuras entre 1 e 300 microns, preferencialmente, de 5 a 50 microns. Alternativamente, o material depositado pode ser granulado através da ação de pressão de rolo ou laminador revestido com telas ou peneiras sobre a camada, telas essas com aberturas de tamanhos compatíveis com os tamanhos do granulado final desejado. O material granulado é seco e calcinado em estufa ou forno desde 100 oC até 700 oC, após o que é peneirado e classificado para o ajuste do tamanho desejado, em geral, classificado entre 50 e 300 microns, para o processamento seguinte. Este material resultante da primeira operação, no formato de granulado em escamas, é denominado INNER+CAP.

[055] O material INNER+CAP seco e calcinado é levado ao forno de sinterização e realizada a pré-sinterização, onde se estabelece um ciclo térmico com taxa de aquecimento de 1 a 30 oC/min, preferencialmente de 3 a 10 oC/min, em atmosfera oxidante ou ar até 600 - 800oC, seguido de aquecimento até a faixa 1100 - 2000 oC sob atmosfera inerte ou redutora, em função da matriz cerâmica utilizada. A temperatura máxima é mantida por determinado tempo, desde 0,5 a 12 horas, dependendo da sinterabilidade do pó da matriz cerâmica, que pode sofrer influência ou não do metal disperso, até que a densidade das escamas compósitas esteja acima de 92% da densidade teórica, ponto esse onde, em geral, os poros das capas cerâmicas se tornam fechados, encapsulando as lamelas metálicas internas dispersas. Após o período de pré-sinterização, o material é resfriado. O encapsulamento do metal lamelar no interior das partículas planas ou escamas cerâmicas de elevada densidade evita sua oxidação ao ar pelo impedimento do acesso de oxigênio.

[056] Em uma operação alternativa de pré-sinterização, o material é sinterizado até temperaturas máximas entre 600 e 1000 oC ao ar ou atmosfera oxidante, mantido nessas temperaturas durante certo tempo até um máximo de 3 horas, sendo depois resfriado. Em ambos os casos, o material final desta etapa é um compósito cerâmica-metal (cermet) INNER+CAP pré-sinterizado, que é peneirado e classificado em tamanhos apropriados entre 50 e 500 microns, preferencialmente, entre 50 e 300 microns. A microestrutura deste material mostra diversas lamelas ou micro-chapas planas de metal dispersas e sobrepostas entre si, em geral, não se tocando, envoltas em matriz cerâmica densa ou com pequenos poros fechados (Figura 4).

[057] Uma segunda suspensão cerâmica é formulada com o pó compósito cerâmica-metal pré-sinterizado INNER+CAP preparado e classificado, onde se adiciona mais pó cerâmico matriz para que se atinja o teor final de metais dispersos entre 10 e 50% em volume, preferencialmente, entre 15 e 25% em volume de metais. Aditivos e veículos fluídos, como discriminados na preparação da primeira suspensão, são novamente adicionados aos pós cerâmicos e compósitos cerâmica-metal pré-sinterizado para compor a suspensão. Aditivos formadores de poros e promotores de sinterização são também incorporados nesta etapa, especialmente aditivos de aspecto planar, com formatos de micro-placas ou lamelas que sofrem decomposição e queima ao ar, como grafite, fibras, negro de fumo ou outro aditivo, carbonáceo ou não, com morfologias planares ou de escamas. A quantidade desses aditivos depende da quantidade de poros desejada e densidade final do material, variando desde 1% até 50% em volume, preferencialmente, entre 5 e 20% em volume. A suspensão é preparada e homogeneizada por métodos de mistura convencionais, como aqueles utilizando moinhos de bolas ou misturadores, atingindo viscosidades apropriadas para a colagem de fitas.

[058] Uma segunda colagem de fita é realizada com a segunda suspensão, de modo semelhante à primeira, mas agora em uma camada única de espessuras desde 50 microns até 1000 microns, preferencialmente, entre 100 e 500 microns, dando origem a fita ou camada final do produto. Esta fita ou camada é granulada através de técnicas de granulação mecânica ou empregando pressão contra telas ou peneiras, de forma a produzir as escamas ou micro-placas finais denominadas de FLAKES. Os FLAKES são secos em estufa a 100 - 120 oC e calcinados desde 600 oC até 1000 oC durante certo período, entre 1 a 6 horas, sendo então levados à sinterização final com ciclos térmicos semelhantes à pré-sinterização sob atmosfera inerte ou redutora, em temperaturas finais desde 1200 até 2000 oC, preferencialmente entre 1300 e 1400 oC, em função do tipo de matriz cerâmica empregada, durante períodos de 0,5 a 3 horas, sendo depois resfriados. Em um procedimento alternativo, empregando granulados INNER+CAP da primeira preparação, os quais foram pré-sinterizados em menores temperaturas que as necessárias para atingir 92% da densidade teórica, a temperatura de sinterização final deve ser mais elevada, entre 1300 e 2000 oC, preferencialmente, 1300 a 1600 oC, de modo a promover a densificação destas regiões internas INNER+CAP ainda não sinterizadas. Estes procedimentos permitem obter camadas externas porosas que envolvem escamas compósitas densas com metais lamelares em seu interior.

[059] O processo de colagem de fitas garante que todos os constituintes, sejam metais lamelares, compósitos em forma de escamas pré-sinterizados e formadores de poros planares ou em escamas, sejam alinhados na direção do plano de colagem. A morfologia final é composta de diversas lamelas ou escamas densas alinhadas de cerâmica, que encapsulam lamelas metálicas de menor dimensão, também alinhadas e sobrepostas entre si, sendo que todo o conjunto é orientado segundo um plano, ilustrado na figura 4.

[060] Dois tipos de produtos são possíveis com este processo: pós na forma de escamas FLAKE (hiper-cermet) e discos ou corpos cerâmicos compósitos cerâmica-metal (hiper-cermet). No segundo caso, a colagem de fitas final é realizada sobre molde de chapa perfurada com furos redondos especificados e espessura selecionada, conformando formas de pequenos discos ou outras formas geométricas planares.

[061] Nesse caso, a espessura da placa perfurada determina a espessura dos discos ou formas finais, que são secos como anteriormente e destacados do molde por processos mecânicos de flexão, vibração ou puncionamento. Recuperados os discos ou formas, estes sofrem os mesmos tratamentos de secagem, calcinação e sinterização finais dos pós FLAKE. Os corpos cerâmicos e discos também podem ser obtidos por compactação em prensa ou outro modo de conformação, desde que se disponha de métodos complementares de alinhamento horizontal das lamelas descritas antes da conformação do material, como dispositivos de vibração de matrizes e mesas vibratórias.

[062] Outros modos alternativos de preparação destes materiais são incluídos no pedido de patente, envolvendo a utilização direta da suspensão INNER+CAP, que pode ser infiltrado no estado fluído em corpo poroso pré-formado, manta cerâmica porosa ou manta isolante de fibras de qualquer sorte. Estes processos podem ser realizados em mesa horizontal, vibratória ou girante, com aplicador ou dosador de suspensão de modo uniforme, auxiliado por imposição de vácuo ou pressão reduzida que favorece a impregnação da suspensão líquida em meio aos poros do corpo ou manta, suspensão essa que possui suficiente fluidez para penetrar nos poros da manta ou corpo poroso, alinhando as escamas contidas na suspensão ao longo do plano da manta ou corpo poroso. A manta ou corpo assim infiltrado com o material é deixada secar e sinterizada como descrito anteriormente, respeitando suas máximas temperaturas de emprego, resultando em um material poroso contendo lamelas metálicas encapsuladas em escamas ou flocos de cerâmica densa, que confere ao material final reflexão e blindagem em relação ao fluxo de calor por radiação, mantendo boa isolação por condução térmica.

[063] Os materiais preparados nos exemplos foram medidos em difusivímetro flash com impulsão de 5000 joules de luz xenônio, em porta-amostra para pós, de acordo com a norma ASTM E1461-13, além de condutivímetro marca Ctherm modelo CTi (ASTM D7984-16). O difusivímetro mede a difusividade térmica, a qual, multiplicada pela densidade medida e capacidade térmica calculada, fornece o valor da condutividade térmica, ensaio este realizado em diversas isotermas até 800 oC. A compilação dos resultados é mostrada na figura 5, onde se observa que os materiais compósitos cerâmica-metal (hiper-cermets) se destacam por reduzir os valores de condutividade térmica a partir de 500 oC, invertendo a tendência natural de elevação dos valores com a temperatura. Este resultado é coerente com o princípio da técnica e material projetado, uma vez que a presença de lamelas metálicas em seu interior reflete a radiação, cuja parcela componente na condutividade térmica aparente aumenta com a temperatura. O material atua, portanto, na redução do fluxo de calor irradiado na direção de condução, especialmente em altas temperaturas. Outro fator importante é a densidade do material compósito cerâmica-metal (hiper-cermet), cerca de 10 vezes maior que as mantas isolantes cerâmicas, mantendo ainda uma condutividade térmica semelhante. Assim sendo, o material compósito cerâmica-metal (hiper-cermet) é mais sólido e pode ser preparado com baixa densidade pela incorporação de maior volume de aditivos formadores de poros, o que reduz sobremaneira a condutividade térmica. A figura 5 inclui os valores medidos para a zircônia parcialmente estabilizada com 3 moles% de ítria YTZ CAP pura isenta de metal de densidade 1672,1 kg/m3 para comparação.

[064] Os materiais preparados, segundo o processo descortinado, foram caracterizados quanto à condutividade térmica, efusividade térmica e calor específico no instrumento TCi (C-Therm) segundo a norma ASTM D7984=16 - Standard Test Method For Measurement Of Thermal Effusivity Of Fabrics Using A Modified Transient Plane Source (MTPS) Instrument. Três tipos de compósitos cerâmica-metal (hiper-cermets) na forma de pó em escama Flake foram analisados, cujos resultados encontram-se na Tabela 1: 20%vol. Ni - YTZ, 25%vol. aço inoxidável 316L - YTZ e 20%vol. Al - alumina.
Tabela 1 - Resultados obtidos pelo aparelho TCi

EXEMPLO 1

[065] Preparação de suspensão INNER em etanol absoluto com pó de zircônia parcialmente estabilizada com 3 moles% de ítria, denominada YTZ (Tosoh Co.) misturado a pó de Ni moído em moinho vibratório de alta energia, 19 hertz, por 25 minutos em pote e esferas de aço ferramenta, em teor metálico de 25 % em volume. A quantidade de etanol empregada corresponde a 50 % em massa da massa total da suspensão. Os aditivos empregados incluem porcentagens mássicas em relação ao total de sólidos: 4 % PVB, 4 % PEG e 0,5 % PABA. A suspensão foi homogeneizada por 3 horas em pote cerâmico com 15 esferas de alumina diâmetro médio 15 mm, sendo depois vazada através de peneira. Uma suspensão alcoólica auxiliar de YTZ puro (CAP) com 3 % PVB, 4 %PEG e 0,5 % PABA foi preparada da mesma forma em outro pote. As suspensões foram aplicadas em filme de poliéster 50 microns sobre mesa horizontal utilizando aplicador “doctor blade” na sequência: 50 microns de suspensão auxiliar, 150 microns de suspensão INNER e 50 microns de suspensão auxiliar, sucessivamente após a secagem de cada camada. Foi empregado desmoldante de silicone spray sobre o filme de poliéster. A fita compósita resultante INNER+CAP, após seca ao ar por 24 horas, foi granulada e peneirada em peneira com abertura de 212 microns, resultando em pó granulado. O pó granulado foi seco em estufa a 150 oC e calcinado em forno mufla ao ar a 650 oC. O granulado calcinado foi levado a forno de sinterização tubular vertical e pré-sinterizado segundo o ciclo: aquecimento de 5 oC/min até 750 oC, ao ar, permanecendo por 1 hora nessa temperatura e aquecimento em mesma taxa até 1400 oC sob atmosfera de argônio comercial (99.995 %), com patamar de 0,5 hora, sendo resfriado após este tempo a 5 oC/min até a temperatura de descarga de 200 oC. O pó granulado recuperado foi utilizado para a preparação da suspensão final em etanol absoluto, onde se adicionou mais pó YTZ para que se atingisse a composição nominal de 15 % de Ni total, além das percentagens mássicas de aditivos em relação aos sólidos de 6 % PVB, 6 %PEG, 0,5 % PABA, 8% de grafite em escamas e 1 % de negro de fumo. A suspensão final foi homogeneizada e colada na forma de fita de 250 microns empregando os mesmoS procedimentos descritos para a colagem da suspensão INNER. A suspensão final, após seca por 24 horas, foi granulada e seca em estufa a 150 oC e calcinada em forno mufla ao ar a 750 oC. O granulado final calcinado foi classificado entre peneiras com aberturas de 50 e 300 microns e foi levado ao forno de sinterização tubular vertical e pré-sinterizado, segundo o ciclo: aquecimento de 5 oC/min até 800 oC, ao ar, permanecendo por 1 hora nessa temperatura, e aquecimento em mesma taxa até 1350 oC sob atmosfera de argônio comercial (99.995 %), com patamar de 0,5 hora, sendo resfriado após este tempo a 5 oC/min até a temperatura de descarga de 200 oC. O pó granulado de aspecto lamelar final do compósito cerâmica-metal (Hiper-cermet) foi caracterizado em microscópio eletrônico de varredura com quantificação por espectroscopia de energia dispersiva (MEV/EDS), onde se encontrou teores de Ni metálico de 14,9 a 15,7 % em massa, de acordo com a região analisada. O pó do compósito cerâmica-metal (Hiper-cermet) foi encaminhado para teste de condutividade térmica no aparato "difusivímetro flash” com impulsão de 5000 J de luz xenônio, em porta-amostra especial para pós e líquidos, onde foram medidas as difusividades térmicas e calculadas as condutividades térmicas aparentes do material. As condutividades térmicas obtidas são:
Tabela 2

[066] A densidade resultante do material FLAKE com 15 % em massa de Ni é de 1811,5 kg/m3.

EXEMPLO 2

[067] Mesmo material processado descrito no Exemplo 1 e conformado na forma de discos sobre placa perfurada, resultando em condutividades térmicas de discos empilhados:
Tabela 3

[068] A densidade aparente do empilhamento de discos é de 1039,4 kg/m3.

EXEMPLO 3

[069] Procedimentos de preparação análogos ao exemplo 1, onde se aumentou o teor nominal de Ni em YTZ a 20 % em massa e quantidade de negro de fumo aditivado na suspensão final para 3 % em massa. As condutividades térmicas medidas são:
Tabela 4

[070] A densidade aparente resultante do material FLAKE com 20 % em massa de Ni é 2487,6 kg/m3.

VANTAGENS

[071] Desta forma, o processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso e material assim obtido, conforme descritos acima, tratam-se de processo e material novos, que apresentam configuração e funcionamentos inéditos e vantajosos em relação aos materiais e processos de produção dos mesmos encontrados no mercado para a mesma aplicação. Dentre essas vantagens, podem-se citar: o fato de ser um processo simples de custo reduzido, realizado em equipamento e ferramental convencional, sem necessitar de máquinas industriais complexas e fornos sofisticados; o fato de resultar em um material de fácil obtenção, de alta eficiência térmica, oferecendo maior isolação térmica de componentes aquecidos, mantendo o calor em seu interior através de múltiplas reflexões de micro-placas metálicas blindantes, enquanto mantém baixa a condutividade térmica través do material; e o fato de resultar em um material protegido da oxidação devido a sua configuração lamelar inédita especialmente projetada, sem similar no estado da técnica atual.

[072] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que o PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, tratam-se de um processo e um material novos para o estado da técnica os quais reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que os fazem merecer o Privilégio de Patente de Invenção.

Claims

PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, processo de obtenção de compósitos cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso, caracterizado por constar de 12 etapas principais do processo, sendo: Etapa 1: onde se faz o processamento do pó metálico por moagem de alta energia ou equivalente; Etapa 2: onde se faz a adição de partículas cerâmicas de revestimento do pó metálico; Etapa 3: onde ocorre a formação das micro-placas ou lamelas metálicas ou escamas, de larguras e comprimentos desde 10 até 250 microns e espessuras de 1 a 100 microns; Etapa 4: onde se faz e primeira suspensão com adição de etanol e aditivos orgânicos para formar uma suspensão (INNER) com teor metálico desde 1 a 95% em volume, sendo o restante o pó da matriz cerâmica, sendo mais precisamente utilizado de 5 a 30% em volume de metais; Etapa 4a: paralelamente, uma suspensão auxiliar, preferencialmente com o mesmo tipo de cerâmica da primeira suspensão e aditivos descritos e selecionados é preparada, isenta de metais, denominada "CAP”, e com as suspensões INNER e CAP sendo preparadas e homogeneizadas por métodos de mistura convencionais onde a preferencialmente, emprega até 15% em massa de aditivos; Etapa 5: realização da primeira colagem de fitas por tape casting em mesa plana com aplicador regulável na forma de régua (doctor blade), é realizada em 3 camadas sobre um substrato, como um filme de poliéster, polietileno ou outra fita larga, ou equivalente em espessura de 10 a 200 microns, mais especificamente, de 30 a 100 microns; Etapa 6: granulação com raspadores realizada no material depositado em camadas seco ou semi-seco em um período que varia entre 3 horas a 24 horas, em temperatura ambiente, obtendo escamas ou pós escamosos cujas partículas tenham larguras médias de 1 a 500 microns, preferencialmente, de 20 a 250 microns e espessuras entre 1 e 300 microns, preferencialmente, de 5 a 50 microns; Etapa 7: Pré-siterização, o material seco e calcinado é levado a forno de sinterização; Etapa 8: realização da segunda suspensão cerâmica formulada com o pó compósito cerâmica-metal pré-sinterizado; Etapa 9: realiza-se uma segunda colagem de fita, de modo semelhante à primeira, com uma camada única de espessuras desde 50 micros até 1000 microns, preferencialmente, entre 100 e 500 microns, dando origem a fita ou camada final do produto; Etapa 10: formação de escamas FLAKE (hiper-cermet) e discos ou corpos cerâmicos compósitos cerâmica-metal (hiper-cermet); Etapa 11: sinterização final na mesma forma na pré-sinterização, com os FLAKES e os discos ou corpos cerâmicos compósitos cerâmica-metal com colagem de fitas final é realizada sobre molde de chapa perfurada, sendo calcinados e depois resfriados; e Etapa 12: obtenção do material final.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela matriz das partículas cerâmicas da Etapa 2 poder ser composta de zircônia, alumina, magnésia, silicatos, carbetos, nitretos e/ou outras cerâmicas em pó, não restritas às citadas, ou misturas entre estas, com tamanhos de partícula de 0,1 a 50 microns, preferencialmente, entre 0,1 e 10 microns.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelos tipos de aditivos orgânicos empregados na Etapa 4 serem aglomerantes, lubrificantes, dispersantes e agentes antiaderentes e anti-espumantes, que incluem polivinil butiral (PVB), polietileno glicol (PEG), ácido para-aminobenzóico (PABA), ácido esteárico, álcool poli-vinílico (PVA) e silicato de sódio, quer seja o veículo empregado, álcool ou aquoso, não restritos a esses compostos aditivos e não empregando obrigatoriamente todos os tipos de aditivos citados.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela pré-siterização da Etapa 7 ser realizada em um ciclo térmico com taxa de aquecimento de 1 a 30 oC/min, preferencialmente, de 3 a 10 oC/min, em atmosfera oxidante ou ar até 600 - 800oC, seguido de aquecimento até a faixa 1100 - 2000 oC sob atmosfera inerte ou redutora, em função da matriz cerâmica utilizada, onde, após o período de pré-sinterização, o material é resfriado.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela segunda suspensão cerâmica formulada com o pó compósito cerâmica-metal pré-sinterizado da Etapa 8 ser realizada com a adição de mais pó cerâmico matriz, atingindo o teor final de metais dispersos entre 10 e 50% em volume, preferencialmente, entre 15 e 25% em volume de metais, onde aditivos e veículos fluídos são novamente adicionados para compor a suspensão, somados a aditivos formadores de poros alongados, carbonáceos ou não, compostos de materiais na forma de escamas ou micro-placas que sofrem oxidação ou queima ao ar, como pó de grafite, fibras, negros de fumo e outros.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, material compósito cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso obtido pelo processo da reivindicação 1, caracterizado por possuir uma micro-estrutura projetada com morfologia lamelar e em escamas, onde micro-placas ou lamelas metálicas são e encontram-se encapsuladas e protegidas da oxidação por regiões cerâmicas lamelares densas, sendo essas regiões envolvidas por camada de cerâmica porosa, conformando escamas de dimensões micrométricas; onde as lamelas metálicas atuam como blindagem de radiação térmica devido a sua baixa emissividade e alta reflectividade, e as camadas porosas conferem baixa condutividade térmica, conduzindo a um material com condutividade térmica bastante reduzida, especialmente em altas temperaturas, cuja estrutura dual se assemelha a um hiper-cubo 4-D visualizado em perspectiva 3-D, na medida que a geometria do hiper-cubo mostra, analogamente, um cubo denso dentro de outro cubo poroso, o qual foi expandido.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, material compósito cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso obtido pelo processo da reivindicação 6, caracterizado por possuir uma fase metálica de formato lamelar encapsulada em fase cerâmica densa disposta internamente ao corpo cerâmico, onde a camada externa do corpo cerâmico é porosa e isolante térmica desde 0,1 a 30 W/mK, e onde os seus elementos constituintes são orientados na direção de um plano, sejam constituintes metálicos, cerâmicos ou poros orientados e alongados, apresentando uma morfologia de partículas planares que se orienta por si só paralelamente às superfícies a serem isoladas termicamente, na direção perpendicular ao fluxo térmico, obtida pelo processo de colagem de fitas (tape casting).
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, material compósito cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso obtido pelo processo da reivindicação 6 e 7, caracterizado pelo material compósito cerâmica-metal ser apresentado em duas formas, sendo: como corpos cermetos na forma de discos ou outra geometria planar e como pós micrométricos com aspecto de escamas "FLAKE”, não excluindo outros formatos possíveis.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, material compósito cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso obtido pelo processo da reivindicação 8, caracterizado pelos corpos cermetos na forma de discos ou outra geometria planar apresentarem dimensões de diâmetro 1 a 6 mm e espessura 0,1 a 2 mm, em função do volume a ser isolado termicamente, não excetuando outras dimensões possíveis, mais precisamente, os discos possuírem diâmetro 3-4 mm e espessuras 100-400 microns.
PROCESSO DE OBTENÇÃO DE COMPÓSITOS CERÂMICA-METAL CONTENDO CERNE DENSO E ENVOLTÓRIO POROSO E MATERIAL ASSIM OBTIDO, material compósito cerâmica-metal contendo cerne denso e envoltório poroso obtido pelo processo da reivindicação 8, caracterizado pelos FLAKES apresentarem partículas com espessuras desde 10 microns até 1000 microns, e larguras de 30 microns até 2000 microns, mais precisamente, com a largura das partículas superior a espessura em pelo menos 5 vezes, não excluindo os casos em contrário.