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Os materiais geralmente são considerados uma fase, mas muitos materiais de engenharia contêm duas ou mais fases, melhorando suas propriedades e desempenho. Esses materiais bifásicos possuem inclusões, chamadas precipitados, embutidas na microestrutura. As ligas, uma combinação de dois ou mais tipos de metais, são usadas em muitas aplicações, como turbinas para motores a jato e ligas leves para aplicações automotivas, porque possuem propriedades mecânicas muito boas devido aos precipitados incorporados. O tamanho médio do precipitado, no entanto, tende a aumentar com o tempo – em um processo chamado de engrossamento – o que resulta em uma degradação do desempenho de microestruturas com precipitados em nanoescala.
Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign identificaram um novo caminho para estabilizar os precipitados em nanoescala em ligas. Em um novo estudo, o professor de ciência e engenharia de materiais Pascal Bellon, o pesquisador de pós-doutorado Gabriel Bouobda Moladje e seus colaboradores mostram que é possível utilizar processos de não equilíbrio para impedir o engrossamento do precipitado, o que resulta em nanoestruturas estáveis.
Os resultados desta pesquisa foram publicados recentemente no Cartas de revisão física.
“Nas últimas duas décadas, os pesquisadores perceberam que ter inclusões em nanoescala na estrutura pode realmente ser muito benéfico para o material”, diz Bellon. “O desafio é que, espontaneamente, essas pequenas partículas querem crescer.”
Pense nisso como fazer macarrão: quando o óleo é adicionado à água fervente, as gotas de óleo podem ser pequenas quando adicionadas e mexidas pela primeira vez, mas se a agitação for interrompida, as gotas se combinarão para formar gotas maiores. Este é o processo de engrossamento. “Se estamos interessados na distribuição de objetos de pequena escala, temos que trabalhar contra essa tendência natural de as coisas ficarem grosseiras”, explica Bellon.
A equipe usou modelagem computacional para investigar os precipitados formados nos domínios entre diferentes cristais do material, chamados de contornos de grão, quando submetidos à irradiação, uma força de não equilíbrio. Em um ambiente de equilíbrio, as forças são equilibradas e não há mudança líquida no material. Na maioria das aplicações, no entanto, materiais duros são submetidos a forças fora do equilíbrio, como irradiação ou mesmo agitação. Portanto, é importante entender como os precipitados evoluem em tais ambientes de não equilíbrio.
“Estávamos particularmente interessados em ligas submetidas à irradiação de partículas energéticas”, diz Bellon. “Essa é uma situação que, por exemplo, acontece em materiais usados para aplicações nucleares. Também é o caso de materiais usados no espaço, onde são bombardeados por raios cósmicos. O que estávamos olhando especificamente era um modelo de liga de alumínio e antimônio .”
Nas ligas de alumínio e antimônio, o antimônio quer formar precipitados, como o óleo quer formar gotículas na água. Os pesquisadores descobriram que, quando irradiados, os precipitados se formavam nos contornos dos grãos, conforme o esperado. Mas eles também descobriram que, em vez de engrossar e continuar a crescer, os precipitados atingiriam um certo tamanho e parariam. Isso é chamado de comportamento grosseiro interrompido e foi um resultado inesperado.
Esta abordagem pode ser aplicada a outros sistemas de materiais onde o transporte de espécies desempenha um papel importante, como o transporte de espécies iônicas entre eletrodos em baterias. Em materiais de bateria, pode ser vantajoso ter pequenos precipitados, pois grandes precipitados podem gerar muito estresse ao material. Nesse caso, a supressão do engrossamento seria benéfica.
Após esta pesquisa computacional, Bellon, juntamente com os professores da UIUC MatSE, Robert Averback e Marie Charpagne, planejam começar a explorar a validação experimental dos resultados publicados recentemente. Bellon diz: “Estamos empolgados em combinar modelagem, teoria e experimentos, aproveitando todas as ferramentas do Laboratório de Pesquisa de Materiais, para testar as previsões de simulações de computador em um nível experimental”.
Esta pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências, Ciências Básicas de Energia.
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