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Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) Sintering additives (AS) have great potential to be applied in refractory castables as they reduce the densification temperature of these products. Additionally, these components may induce the generation of a transient liquid phase in the microstructure at high temperatures, which can react with the other materials of the composition to give rise novel solid refractory phases. Considering these aspects, the present work evaluated the role of five different AS (boron oxide, boric acid, sodium borosilicate, magnesium borate and boron carbide) when added to alumina-based castable compositions containing hydratable alumina as binder. Based on the thermomechanical characterization, XRD analysis and the in situ elastic modulus measurement, boron carbide (B4C) have been selected as a promising AS because this material sped up the sintering process at lower temperatures and induced the aluminum borates formation due to the reaction between the liquid phase and the fine alumina contained in the castable matrix. Afterwards, the effects of B4C was evaluated in ultra-low calcium oxide castables bonded with: colloidal alumina (AC), hydratable alumina (AB) and/ or SioxX®-Zero (SZ). SZ-bonded materials (4 wt.%) had good performance at temperatures around 1100°C due to the mullite generation. On the another hand, castables containing AC as binder (4 wt.% of solids) and 0.5 wt.% of B4C are promising options to be used in working conditions between 600-815°C, whereas the same mixture without B4C could only be densified above 1100°C. Similar effect was observed when 1.0 wt.% B4C was added to SZ-containing castables as the aluminum borates generation allows these compositions to be used in working conditions around 815°C. Therefore, an appropriate AS selection for high-alumina castables with ultra-low CAC content has the potential to favour the earlier sintering of the refractory and improve its thermomechanical properties, which can fulfill the requirements of the petrochemical industry. Os aditivos sinterizantes (AS) possuem potencial para serem aplicados em concretos refratários, pois diminuem a temperatura de densificação destes produtos. Adicionalmente, tais componentes podem atuar favorecendo a formação de líquidos transientes na microestrutura em altas temperaturas, os quais têm a capacidade de reagir com os outros constituintes da composição para formar novas fases refratárias. Diante desta possibilidade, neste trabalho foram avaliados os efeitos da adição de cinco fontes de boro como AS (óxido de boro, ácido bórico, borosilicato de sódio, borato de magnésio e carbeto de boro) em concretos de alta alumina contendo alumina hidratável como ligante. Baseado na caracterização das propriedades termomecânicas destes refratários, assim como nas análises de DRX e da avaliação do módulo elástico in situ, foi selecionado o carbeto de boro (B4C) como o AS promissor, pois este promoveu o início da sinterização dos concretos em temperaturas inferiores e induziu a formação de boratos de alumínio a partir da reação do líquido com a alumina da matriz dos concretos refratários. Posteriormente, avaliou-se o efeito da adição do B4C em concretos com ultra-baixo teor de óxido de cálcio e ligados com: alumina coloidal (AC), alumina hidratável (AB) e/ou SioxX®-Zero (SZ). Materiais ligados com SZ (4%-p) são promissores em temperaturas próximas a 1100°C devido à formação de mulita. Por outro lado, concretos contendo AC (4%-p de sólidos) e 0,5%-p B4C são indicados para condições de serviço entre 600-815°C, pois sem a fonte de boro densificaram apenas acima de 1100°C. Efeito similar foi observado quando adicionado 1,0%-p B4C no concreto contendo SZ, visto que também foram formados boratos de alumínio possibilitando sua utilização em condições de serviço próximas aos 815°C. Desta forma, realizando-se a correta seleção do AS adicionado em concretos de alta alumina com ultra-baixo teor de CAC, tem o potencial de aumentar a sinterabilidade do material e melhorar suas propriedades termomecânicas, podendo assim atender os requisitos da indústria petroquímica.

A combinação de propriedades físicas e mecânicas qualificam as cerâmicas para aplicações em sistemas de proteção balística. Materiais cerâmicos normalmente formam a primeira camada de um sistema de blindagem mista, recebendo o impacto inicial do projétil, e dissipando grande parte da energia cinética ao fragmentar o projétil. Os principais materiais cerâmicos para blindagem balística são a alumina, o carbeto de silício e o carbeto de boro. Novas técnicas de processamento de materiais cerâmicos além do modelamento do mecanismo de fratura sob alto impacto energético são áreas que têm sido amplamente investigadas. Desenvolvimentos em particular na área de compósitos de matriz cerâmica, reforçados com fibras ou com base na transformação por tenacificação abrem novas perspectivas de uso e de melhor desempenho de sistemas de proteção balística a base de materiais cerâmicos. The combination of physical and mechanical properties qualifies ceramic materials for applications in ballistic protection systems. Ceramics usually form the first layer of a mixed shielding system, getting the initial impact of the projectile, and dissipating much of the kinetic energy of the projectile fragments. The main ceramic materials for ballistic armor are alumina, silicon carbide and boron carbide. New processing techniques of ceramic materials as well as modeling the mechanism of fracture under high energy impact are areas that have been widely investigated. Developments particularly in the area of ceramic matrix composites reinforced with fibers or based on transformation toughening open new perspectives for better performance and use of ceramic-based ballistic protection systems.

Submitted by Boris Flegr (boris@uerj.br) on 2021-01-06T19:13:30Z No. of bitstreams: 1 Matheus Costa Ximenes.pdf: 9063194 bytes, checksum: 91abf0333645cd7ae541f4f441e9f5a2 (MD5) Made available in DSpace on 2021-01-06T19:13:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Matheus Costa Ximenes.pdf: 9063194 bytes, checksum: 91abf0333645cd7ae541f4f441e9f5a2 (MD5) Previous issue date: 2016-10-26 This dissertation has the objective of study the fracture toughness calculation models in ceramics of high hardness, from data obtained with the test Vickers and Knoop hardness. The Vickers and Knoop hardness tests are techniques used to evaluate the surface hardness from the penetration of a pyramidal indenter square base in Vickers method and lozenge base in Knoop method. For the evaluation of high hardness materials, such as special ceramics, these techniques are the most appropriate and complementary. In carrying out such assays in high hardness materials it is common the occurrence of surface cracks resulting from the indentation of the indenter on the surface of the material. The occurrence of this phenomenon can allow the evaluation of mechanical properties of these special materials such as tensile strength limit and fracture toughness. In this study were presented measurements performed on cracks of sintered boron carbide samples, evaluating highlighted fracture toughness property for using mathematical models, formulated based on fracture mechanics, for example, Gong. From measurements taken after the indentation test was possible to calculate fracture toughness values, allowing the development of a methodology of using these tests. A presente dissertação tem como objetivo o estudo dos modelos de cálculo da tenacidade à fratura em cerâmicas de elevada dureza, a partir de dados obtidos com o ensaio de microdureza Vickers e Knoop. Os ensaios de dureza Vickers e Knoop são técnicas utilizadas para avaliação da dureza superficial a partir da penetração de uma indentação piramidal de base quadrada no método Vickers e base losangular no método Knoop. Para a avaliação de materiais de elevada dureza, como as cerâmicas especiais, estas técnicas são as mais adequadas e são complementares. Na realização desses ensaios em materiais de altíssima dureza é comum a ocorrência de trincas superficiais resultantes da indentação do penetrador sobre a superfície do material. A ocorrência desse fenômeno pode permitir a avaliação de propriedades mecânicas desses materiais especiais, como limite de resistência e tenacidade à fratura. Para a realização deste estudo foram apresentadas medidas realizadas nas trincas das amostras de carbeto de boro sinterizado, avaliando em destaque a propriedade tenacidade à fratura através de modelos matemáticos, formulados com base na mecânica da fratura, como por exemplo, o de Gong. A partir de medidas realizadas após o ensaio de indentação foi possível o cálculo de valores de tenacidade à fratura, permitindo o desenvolvimento de uma metodologia de utilização destes ensaios.

O carbeto de boro (B4C) é um material cerâmico de alta dureza e baixa massa específica com uma grande potencialidade de aplicação tecnológica. Contudo, há uma grande dificuldade na produção de sinterizados com alta massa específica e boas propriedades mecânicas pelo uso de técnicas convencionais de sinterização. Neste trabalho, foi investigada a influência de vários parâmetros (granulometria do pó de partida, adição de carbono e ligantes orgânicos, temperatura máxima e taxa de aquecimento) na sinterização do carbeto de boro. Foram utilizadas técnicas de sinterização à pressão ambiente e de sinterização sob pressões ultra-elevadas. Amostras cilíndricas, com 15 mm de diâmetro e entre 3 e 7 mm de espessura, foram sinterizadas à pressão ambiente em atmosfera de Argônio a 2150ºC, 2200ºC e 2250ºC por 120 minutos, com taxas de aquecimento de 25 e de 30ºC/min. Amostras de 3 mm de diâmetro e 2,5 mm de espessura foram processadas a 4 GPa durante 10 minutos em diferentes temperaturas de sinterização (1000°C, 1500ºC e 1700°C). O principal objetivo tecnológico do trabalho foi desenvolver e otimizar uma sistemática de conformação e sinterização para a produção de peças de carbeto de boro, com diferentes geometrias, e alta dureza e alta resistência ao desgaste. A composição de fases e a microestrutura dos compactos foram investigadas por difração de raios X, espectroscopia Raman, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. As propriedades mecânicas foram avaliadas por medidas de massa específica, dureza Vickers e resistência ao desgaste abrasivo. Os resultados de massa específica obtidos para os sinterizados à pressão ambiente a partir de um pó mais grosso (< 3 mm) foram, de forma não usual, superiores aos encontrados para os produzidos com um pó mais fino (< 1 mm), obtendo-se valores máximos de 2,42 g/cm3 para o pó grosso e 2,33 g/cm3 para o pó fino. As medidas de dureza resultaram valores máximos de 21 GPa, tanto para o pó mais fino quanto para o pó mais grosso, no caso de sinterizados produzidos a partir de uma mistura com ligantes. Quando não foram usados ligantes, no caso do pó mais grosso, valores de resistência ao desgaste abrasivo muito próximos ao de uma peça comercial e uma dureza de 27 GPa, foram obtidos por sinterização à pressão ambiente. A produção de compactos bem densificados e com propriedades mecânicas superiores foi associada à remoção efetiva de fases óxidas do pó de partida. A presença dessas fases influencia fortemente a cinética de crescimento de grãos durante a sinterização do carbeto de boro. Os compactos produzidos sob pressões ultra-elevadas apresentaram valores máximos de dureza de 15 GPa para o pó mais grosso e 20 GPa para o pó mais fino. Esses resultados obtidos abrem perspectivas bastante interessantes de utilização da técnica de pressões ultra-elevadas na sinterização de carbeto de boro, com a aplicação de temperaturas e tempos bem menores do que os empregados convencionalmente. Boron carbide (B4C) is a high hardness, low-density ceramic material with a great potential for technological application. However, the production of sintered bodies with high densification and good mechanical properties is very difficult when conventional sintering techniques are used. In this study, we investigated the influence of different sintering conditions (size of the carbide powder, addition of carbon and organic binders, maximum temperature and heating rate) on the properties of boron carbide sintered at ambient pressure or under ultra-high pressure. Cylindrical samples, 15 mm in diameter and 3 to 7 mm thick, were sintered at ambient pressure in an argon atmosphere and temperatures of 2150°C, 2200°C and 2250°C for 120 minutes, using heating rates of 25 and 30°C/min. Samples of 3 mm in diameter and 2.5 mm in thickness were processed at 4 GPa and different sintering temperatures (1000°C, 1500°C and 1700°C) for 10 minutes. The main technological goal of this study was the development of a sintering procedure to produce different geometries of boron carbide compacts with high hardness and high wear resistance. The phase composition and the microstructure of the samples were investigated by x-ray diffraction, Raman spectroscopy, optical microscopy and scanning electron microscopy. The sintered bodies were characterized by density, hardness and abrasive wear resistance measurements. In an unusual way, the density values obtained for the compacts sintered at ambient pressure from a coarser powder (< 3 mm) were higher than those found for the compacts produced from a finer powder (< 1 mm). The highest density values were 2.42 g/cm3 for the coarse powder and 2.33 g/cm3 for the fine powder. The maximum obtained hardness for the sintered bodies produced from a mixture with organic binders was 21 GPa, both for the fine and the coarse powder. When no binders were used, a hardness of 27 GPa associated to a high wear resistance was obtained for compacts sintered at ambient pressure using the coarse powder. The success in the production of high-density compacts with superior mechanical properties was associated to an efficient removal of oxides phases from the starting powder. The presence of these phases strongly affects the grain growth kinetics during the sintering of boron carbide. The compacts produced under ultra-high pressures showed a maximum hardness of 15 GPa for the coarse powder and 20 GPa for the fine powder. The obtained results indicate that the employment of ultra-high pressure techniques can be very interesting for the production of high-quality sintered boron carbide, as they enable the use of much lower temperatures and shorter sintering times than in conventional techniques.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico In this work a procedure is proposed for determination of Al, Cr, Cu, Mg, Mn and Ni in boron carbide samples by solid sampling graphite furnace atomic absorption spectrometry (SS-GFAAS). The samples, ESK and PL360, were digested using different decomposition procedures: wet decomposition using medium and high pressure system and alkaline fusion. The complete samples decomposition was only verified in the alkaline fusion, however high blank values for some analytes were obtained. The solutions obtained from the decomposition in high pressure system using HNO3 were analyzed and no significant difference was observed in relation to the values obtained by alkaline coalition. For SS-GFAAS, the pyrolysis and atomization curves and atomization for the boron carbide samples and reference solution were obtained. As difference was not observed in the thermal behavior of the analytes in solution and in the solid samples, the analytic curves were built with reference solutions. Besides, Zeeman's corrector was used with variable magnetic field for the construction of analytic curves with larger range concentration, making possible the analysis of samples with different concentrations. The sample homogeneity was verified by the calculation of the homogeneity constant. The results obtained by SS-GFAAS were compared (variance analysis, ANOVA) with the results obtained by wet decomposition (medium and high pressure) and alkaline fusion. Relative standard deviations smaller than 23% and detection limits between 10 to 1000 ng g-1 were obtained by SS-GFAAS. Except for Cu in the PL360 sample, for the other analytes homogeneity constant smaller than 10 were obtained, evidencing a good homogeneity. There was not significant difference (95% confidence level) for the results obtained for Al, Cu, Cr, Mg, Mn and Ni when compared the with the procedures using wet decomposition in high pressure system, alkaline fusion and SS-GFAAS. Neste trabalho é proposto um procedimento para determinação de Al, Cr, Cu, Mg, Mn e Ni em amostras de carbeto de boro por espectrometria de absorção atômica com forno de grafite utilizando amostragem de sólidos (SS-GFAAS). As amostras, ESK e PL360, foram decompostas utilizando diferentes procedimentos de decomposição: via úmida em sistemas de média e alta pressão e fusão alcalina. A decomposição total das amostras só foi verificada na fusão alcalina, porém observouse valores altos de branco para alguns analitos. As soluções obtidas a partir da decomposição em sistema de alta pressão com HNO3 foram analisadas e não se observou diferença significativa em relação aos valores obtidos por fusão alcalina. Com relação a SS-GFAAS, inicialmente, obtiveram-se as curvas de pirólise e atomização para as amostras de carbeto de boro sólidas e solução de referência. Como não se observou diferença no comportamento térmico dos analitos em solução e nas amostras sólidas, as curvas analíticas foram construídas com soluções de referência. Ademais, utilizou-se o recurso do corretor Zeeman com campo magnético variável para a construção de curvas analíticas com maior faixa de concentação, possibilitando a análise de amostras com diferentes concentrações. A homogeneidade das amostras foi verificada mediante o cálculo da constante de homogeneidade. Os resultados obtidos por SS-GFAAS foram comparados, estatisticamente (análise de variância, ANOVA), com os resultados obtidos mediante decomposição por via úmida (sistema de média e alta pressão) e fusão. Massas de até 2 mg de carbeto de boro foram utilizadas na SS-GFAAS. Desvios padrões relativos menores que 23% e limites de detecção compreendidos na faixa de 10 a 1000 ng g-1 foram obtidos por SS-GFAAS. Com exceção do Cu na amostra PL360, para os demais analitos obteve-se constantes de homogeneidade menores que 10, evidenciando uma boa homogeneidade. Não houve diferença significativa (ANOVA, nível de confiança de 95%) para os resultados obtidos para Al, Cu, Cr, Mg, Mn e Ni quando comparados os procedimentos por via úmida com alta pressão, fusão e SSGFAAS.