Síntese e robocasting de YAG xerogel: um

Dec 27, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8454 (2022) Citar este artigo

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Um protocolo sol-gel otimizado foi realizado para produzir um xerogel de granada de ítrio e alumínio (YAG) a partir de alcóxido de alumínio e um sal de ítrio em escala semi-piloto. Este xerogel foi utilizado com sucesso sem pirólise prévia como carga sólida com auxílio de aditivos na preparação de pastas. O tratamento térmico dos corpos verdes, obtidos por robocasting da pasta, resultou em cerâmica YAG monofásica coesiva. A fabricação de peças cerâmicas por métodos aditivos permitirá moldar formas complexas, enquanto a conversão/consolidação em uma única etapa simplificaria o processo tecnológico, reduzindo os custos globais de energia. Como o YAG possui alta resistência e bom comportamento de fluência em altas temperaturas, essas peças refratárias podem substituir as ligas metálicas usadas em pás de turbinas para exploração do espaço profundo. Caracterizações estruturais, térmicas e químicas foram realizadas em pós de xerogel, pastas e cerâmicas YAG.

A Agência Espacial Francesa (CNES) realizou pesquisa e desenvolvimento em cerâmica de óxido com o objetivo de melhorar o design de subsistemas cruciais para a propulsão espacial. A temperatura máxima admissível da turbina, imposta pela resistência das ligas metálicas, representa uma limitação de desempenho para os ciclos do motor foguete de propulsão líquida. A introdução de cerâmica de óxido para peças de turbina estator/rotor pode ser uma solução promissora para aumentar a temperatura do ciclo e obter ganhos de desempenho de acordo. Do ponto de vista da vida útil, a cerâmica resistente à fluência seria a tecnologia-chave para o desenvolvimento de sistemas de produção de energia a bordo para a exploração do espaço profundo1. A granada de ítrio e alumínio (YAG, Y3Al5O12) foi escolhida para esse fim. Além de ser conhecido como um material hospedeiro de ganho de laser2,3,4 para lasers de estado sólido5, também pode ser utilizado por suas características mecânicas. De fato, apresenta propriedades mecânicas interessantes em altas temperaturas6, devido à sua alta resistência, bom comportamento à fluência em altas temperaturas (> 1000 °C), boa estabilidade física e química, baixa condutividade térmica e boa resistência à corrosão por vapor d'água7. Também é usado em ambientes oxidantes para revestimentos de barreira térmica8 ou em aplicações que requerem retenção de longo prazo9.

Entre todos os protocolos relatados para a preparação de YAG, incluindo estado sólido10,11, a síntese baseada em sol-gel provou ser um bom método para preparar YAG monofásico, pois a mistura homogênea de precursores no método sol-gel garante a química uniformidade do produto e menor temperatura de processamento12. Por exemplo, seguindo esse processo, Gowda13 preparou géis de acetato de ítria e tri-sec-butóxido de alumínio, que cristalizou em YAG quando tratado termicamente entre 800 e 1400 °C. Além disso, Manalert e Rahaman14 obtiveram YAG amorfo a partir de uma mistura de tri-sec-butóxido de alumínio e hidrato de acetato de ítrio usando o método sol-gel e secagem supercrítica com extração de CO2. Finalmente, Singlard et al.15 desenvolveram uma síntese sol-gel de YAG monofásico a partir de tri-sec-butóxido de alumínio e cloreto de ítrio anidro e subsequente tratamento térmico.

Em qualquer caso, esses pós devem ser fabricados e moldados mantendo suas propriedades como cerâmica. Atualmente, devido ao seu baixo custo e facilidade de uso, a extrusão é uma das tecnologias mais utilizadas para modelagem direta de cerâmicas16,17. No caso da fabricação de YAG, apenas alguns exemplos podem ser encontrados na literatura, a saber, a impressão 3D usando uma mistura aquosa de pó slurry18 e a escrita direta em tinta 3D de nanopartículas YAG19. No entanto, a maioria dessas inovações pertence ao campo da óptica, onde o YAG é dopado com elementos de metais de terras raras e as propriedades desejadas estão relacionadas ao índice de refração17, fotoluminescência20 etc. e nada trata da extrusão do xerogel.