O carbeto de boro é um material que combina dureza, leveza, resistência a altas temperaturas, mas que é pouco tolerante a impactos. Cientistas do CNRS desenvolveram um novo método de síntese desse material em forma de cerâmica à base de nanocristais, que apresenta uma dureza sem precedentes e uma resistência excepcional a choques.
Resultados que prometem aplicações em áreas tão variadas quanto a aeroespacial ou a proteção balística.
O carbeto de boro (B₄C) em forma de cerâmica, isto é, produzido através de um processo de cozimento em alta temperatura, é bem conhecido por sua leveza, sua resistência a temperaturas extremas e suas notáveis propriedades mecânicas. É um material preferido para aplicações na indústria aeroespacial, em ferramentas de corte e em proteções balísticas.
No entanto, sua industrialização em larga escala é limitada por sua dureza. Apesar de alta, ela não ultrapassa o limite da superdureza (o domínio do diamante, do nitreto de boro cúbico e outros materiais à base de boro). Sua baixa resistência mecânica a choques também é um problema: depois de um impacto forte, ele sofre amorfização (perde sua estrutura cristalina), o que resulta em uma queda significativa em suas performances mecânicas.
Há muito tempo se sabe que reduzir o tamanho dos grãos para escalas nanométricas (5 a 50 nm) melhora suas propriedades mecânicas. De fato, ao reduzir o tamanho dos grãos, aumenta-se o número de limites de grão que se opõem à propagação das discordâncias que surgem sob pressão mecânica. Isso leva a um aumento da elasticidade do material, um fenômeno conhecido como o efeito Hall-Petch.
Infelizmente, os grãos nanométricos de carbeto de boro disponíveis até agora eram dez vezes maiores do que o necessário para exercer tal efeito. Para otimizar as propriedades mecânicas das cerâmicas à base de carbeto de boro, era essencial primeiro sintetizar nanocristais com tamanhos inferiores a 50 nm. Em seguida, era indispensável preservar o tamanho desses nanocristais durante sua montagem para formar cerâmicas.
Nanocristais de carbeto de boro com tamanho controlado projetados pela transformação de nanocristais de borocarbeto de sódio. Esses nano-blocos de construção, densificados por corrente pulsada sob altíssima pressão, produzem cerâmicas de carbeto de boro nanocompostas, um material de propriedades mecânicas excepcionais.
© David Portehault
Desafio duplo superado por um grupo de cientistas de laboratórios parisienses, de Limoges e de Lyon.
Ao evaporar o sódio contido em nanocristais de borocarbeto de sódio em alta temperatura, os cientistas conseguiram convertê-los em nanocristais de carbeto de boro com uma distribuição de tamanho estreita centrada em 10 nm. A densificação desse nanopó de carbeto de boro para formar a cerâmica foi realizada através de um dispositivo inovador de sinterização por "Spark Plasma Sintering" sob altíssimas pressões, patenteado pelos autores.
A combinação de altíssimas pressões (5 GPa) com aquecimento ultrarrápido permite uma densificação rápida, limitando o crescimento dos grãos. As cerâmicas nanocompostas obtidas apresentam grãos com tamanho inferior a 20 nm. Essa característica, que implica um número elevado de limites de grão na estrutura, confere ao material uma dureza extremamente aumentada (superior ao limite da superdureza de 40 GPa) e uma resistência muito elevada a choques.
Este novo carbeto de boro nanocomposto superduro, descrito na revista ACS Nano, pode encontrar aplicações em domínios nos quais o desempenho mecânico é essencial, como a indústria aeroespacial, ferramentas de corte, proteções balísticas ou o setor nuclear.
Redação: CCdM
Referência:
Transforming Nanocrystals into Superhard Boron Carbide Nanostructures
ACS Nano 2024