“Comportamiento mecánico de discos cerámicos porosos”

M. A. PUCHEU; M. L. SANDOVAL; A. G. TOMBA MARTINEZ; M. A. CAMERUCCI

Santiago, Chile

Congreso; Congreso CONAMET/SAM 2008; 2008

Asociación Argentina de Materiales y Sociedad Chilena de Metalurgia y Materiales

Se estudió el comportamiento mecánico de materiales cerámicos porosos en verde y sinterizados, obtenidos por control del procesamiento, en relación con las microestructuras desarrolladas. Se conformaron discos en verde por consolidación térmica directa de suspensiones acuosas de caolín, talco y alúmina (mezcla precursora de cordierita) con agregado de diferentes almidones como agente consolidante/ligante y formador de poros a alta temperatura. Se emplearon como materias primas caolín comercial (caolín lavado C-80, Piedra Grande S.A., Argentina), talco micronizado (Talc 40, China), alúmina calcinada (A2G ALCOA, USA) y almidones comerciales de papa, mandioca, papa modificado y maíz. La mezcla cerámica precursora se formuló, sobre la base de la composición en óxidos de las materias primas cerámicas, en una relación lo más cercana posible a la de cordierita estequiométrica. Se prepararon suspensiones acuosas de los polvos (65% sólidos; 0,5% naftalenosulfonato de sodio; 1% Dolapix) con 17% de cada tipo de almidón mediante mezclado mecánico intensivo, homogeneización (molino de bolas 2h) y desaireado en vacío 20 min. Se prepararon discos (diámetro=20-30 mm; espesor=3-4 mm) por consolidación térmica de las suspensiones en moldes de acero a la temperatura de máximo factor de hinchamiento (Tmh) de cada almidón (75-85°C) durante 4h y, posterior secado a 50°C, 12h. Los materiales porosos de cordierita se obtuvieron por calcinación y reacción-sinterización empleando un ciclo térmico controlado: 1°C/min hasta 650°C, 2h; 3°C/min hasta 1330°C, 4h y 5°C/min hasta temperatura ambiente. La caracterización de los materiales porosos en verde y sinterizados se realizó por medidas de densidad y porosidad aparente, distribución de tamaños de poros y SEM. La resistencia mecánica de los materiales en verde y sinterizados se evaluó en compresión diametral (máquina universal de ensayos Instron modelo 8501 servohidráulica), en control por posición (0,1-0,2 mm/min) sobre un número estadístico de probetas, a temperatura ambiente en aire. Se determinó la resistencia mecánica (sF) a partir de los valores de carga máxima obtenidos de las curvas carga-desplazamiento. A partir de las mismas se obtuvo la relación aparente esfuerzo (s)-deformación (e) por cálculo y de la pendiente de la parte lineal de estas curvas se estimó el módulo de Young aparente (Ea). Los resultados obtenidos se analizaron en función de las microestructuras desarrolladas y en relación con el comportamiento de los almidones en suspensión acuosa a temperatura. A excepción de los discos preparados con almidón de maíz, en los discos en verde se determinaron valores de sF superiores al obtenido en discos preparados sin almidón, lo cual manifiesta el poder ligante de los otros almidones según el orden relativo: modificado > mandioca > papa. El módulo de Young aparente presentó un comportamiento similar, indicando una mayor rigidez de la estructura de los compactos en verde con almidón que podría en parte relacionarse con las diferencias en el comportamiento de los gránulos en agua a la temperatura de consolidación. Todos los materiales porosos finales evidenciaron un significativo aumento de la resistencia mecánica observándose una correlación entre los valores de sF de los discos en verde y sinterizados en relación al tipo de almidón empleado. Las curvas esfuerzo-deformación mostraron un significativo aumento de la región lineal respecto a lo observado en los discos en verde, presentando una fractura completamente frágil. Adicionalmente, el módulo de Young aparente aumentó en proporciones similares para cada tipo de almidón. A partir del ajuste realizado de los parámetros fractomecánicos a los modelos exponenciales propuestos para la resistencia a la fractura y el módulo de elasticidad se pone de manifiesto que, además de la incidencia significativa de la porosidad global del material, debe tenerse en cuenta, la complejidad de la morfología de los poros y el tamaño de los poros que resultó diferente para cada almidón empleado. Además, no se descarta que la matriz cerámica presente características (por ejemplo, microfisuras) que dependen del almidón empleado en su consolidación y que pueden afectar la respuesta mecánica del material poroso.