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Revestimentos cerâmicos extremamente finos podem alterar completamente as propriedades dos componentes técnicos. Os revestimentos são usados, por exemplo, para aumentar a resistência dos metais ao calor ou à corrosão. Os processos de revestimento desempenham um papel importante em pás de turbinas grandes, bem como em ferramentas extremamente estressadas na tecnologia de produção.
A TU Wien (Viena) já investigou o que determina a estabilidade de tais revestimentos. E os resultados, alguns dos quais foram obtidos no síncrotron DESY em Hamburgo, são bastante surpreendentes: as camadas de cerâmica se quebram de uma maneira completamente diferente dos metais. A fadiga do material dificilmente desempenha um papel; o fator decisivo é a intensidade dos picos de carga extremos (o chamado fator de intensidade de tensão). Essa descoberta mudará o método usado para medir e melhorar ainda mais a resistência de filmes finos no futuro.
Estressado milhões de vezes
“Em muitas aplicações, cargas periódicas são um grande problema”, diz o Prof. Helmut Riedl, chefe do grupo de pesquisa de Tecnologia de Revestimento e Superfície Aplicada no Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais da TU Wien. “Se você expor componentes de metal a uma certa força repetidas vezes, as mudanças ocorrerão em escala microscópica.” Alguns átomos podem se deslocar, camadas são formadas que podem deslizar umas sobre as outras, pequenas rachaduras podem se desenvolver e, finalmente, levar à fratura de todo o componente. Tais efeitos de fadiga de material são onipresentes na engenharia e são bem estudados.
O que acontece com revestimentos finos sob tensão, no entanto, é menos claro. “Revestimentos cerâmicos geralmente têm apenas alguns nanômetros a 10 µm de espessura, seu comportamento é completamente diferente de uma peça sólida de cerâmica”, diz Lukas Zauner, que está trabalhando em sua dissertação no Grupo de Pesquisa em Tecnologia de Revestimento e Superfície Aplicada.
Para obter a compreensão mais profunda desse comportamento, métodos de medição completamente novos foram desenvolvidos na TU Wien: em vez de testar metal e revestimento cerâmico juntos, como geralmente é feito, a equipe deixou de fora o metal, produziu amostras extremamente finas de vários materiais cerâmicos normalmente usados na tecnologia de filme fino e os expôs a várias cargas de uma maneira definida com precisão – repetidamente, até dez milhões de vezes.
Raios X no síncrotron
A fim de descobrir exatamente se a estrutura atômica da cerâmica muda como resultado, a equipe levou a configuração experimental para Hamburgo: lá, raios-X extremamente bem focados estão disponíveis no síncrotron do DESY, que podem ser usados para examinar vários pontos da amostra durante o experimento de carregamento. Mesmo pequenas mudanças na estrutura cristalina ou na distância entre átomos vizinhos devem ser detectadas dessa maneira.
Mas surpreendentemente, essas medições mostraram: A cerâmica praticamente não muda. Mesmo milhões de ciclos de carga não levam à fadiga do material. “A cerâmica padrão sofreria fadiga de acordo com certos padrões, semelhante ao tipo de fadiga que conhecemos dos metais. Mas essas camadas extremamente finas não mostram esse comportamento”, diz Helmut Riedl. “Sua microestrutura é a mesma no final e no início.”
Isso significa que a durabilidade das camadas finas é determinada exclusivamente por sua tenacidade à fratura: se você exceder um limite de carga característico do material, a camada será destruída – repentina e irreversivelmente. No entanto, todas as cargas abaixo deste limite não são um problema, não envelhecem a camada cerâmica, praticamente não têm efeito.
Novas estratégias de pesquisa
“Claro, isso também muda a estratégia de como os projetos de pesquisa para materiais de revestimento cerâmicos novos e aprimorados são projetados”, diz Helmut Riedl. “Você não precisa fazer longos testes de longo prazo, basta descobrir com um simples teste de carga qual material quebra sob qual força. Você não precisa se preocupar em como possivelmente aliviar os efeitos da fadiga no material, você só precisa encontrar materiais com a maior resistência à fratura possível – mesmo isso não é uma tarefa simples por si só.”
A equipe já conseguiu encontrar um excelente candidato para isso: uma certa forma de diboreto de cromo mostrou-se surpreendentemente resistente nos testes. Isso abre caminho para pesquisas futuras e promissoras, obtendo maior sucesso.
Revestimentos cerâmicos extremamente finos podem alterar completamente as propriedades dos componentes técnicos. Os revestimentos são usados, por exemplo, para aumentar a resistência dos metais ao calor ou à corrosão. Os processos de revestimento desempenham um papel importante em pás de turbinas grandes, bem como em ferramentas extremamente estressadas na tecnologia de produção.
A TU Wien (Viena) já investigou o que determina a estabilidade de tais revestimentos. E os resultados, alguns dos quais foram obtidos no síncrotron DESY em Hamburgo, são bastante surpreendentes: as camadas de cerâmica se quebram de uma maneira completamente diferente dos metais. A fadiga do material dificilmente desempenha um papel; o fator decisivo é a intensidade dos picos de carga extremos (o chamado fator de intensidade de tensão). Essa descoberta mudará o método usado para medir e melhorar ainda mais a resistência de filmes finos no futuro.
Estressado milhões de vezes
“Em muitas aplicações, cargas periódicas são um grande problema”, diz o Prof. Helmut Riedl, chefe do grupo de pesquisa de Tecnologia de Revestimento e Superfície Aplicada no Instituto de Ciência e Tecnologia de Materiais da TU Wien. “Se você expor componentes de metal a uma certa força repetidas vezes, as mudanças ocorrerão em escala microscópica.” Alguns átomos podem se deslocar, camadas são formadas que podem deslizar umas sobre as outras, pequenas rachaduras podem se desenvolver e, finalmente, levar à fratura de todo o componente. Tais efeitos de fadiga de material são onipresentes na engenharia e são bem estudados.
O que acontece com revestimentos finos sob tensão, no entanto, é menos claro. “Revestimentos cerâmicos geralmente têm apenas alguns nanômetros a 10 µm de espessura, seu comportamento é completamente diferente de uma peça sólida de cerâmica”, diz Lukas Zauner, que está trabalhando em sua dissertação no Grupo de Pesquisa em Tecnologia de Revestimento e Superfície Aplicada.
Para obter a compreensão mais profunda desse comportamento, métodos de medição completamente novos foram desenvolvidos na TU Wien: em vez de testar metal e revestimento cerâmico juntos, como geralmente é feito, a equipe deixou de fora o metal, produziu amostras extremamente finas de vários materiais cerâmicos normalmente usados na tecnologia de filme fino e os expôs a várias cargas de uma maneira definida com precisão – repetidamente, até dez milhões de vezes.
Raios X no síncrotron
A fim de descobrir exatamente se a estrutura atômica da cerâmica muda como resultado, a equipe levou a configuração experimental para Hamburgo: lá, raios-X extremamente bem focados estão disponíveis no síncrotron do DESY, que podem ser usados para examinar vários pontos da amostra durante o experimento de carregamento. Mesmo pequenas mudanças na estrutura cristalina ou na distância entre átomos vizinhos devem ser detectadas dessa maneira.
Mas surpreendentemente, essas medições mostraram: A cerâmica praticamente não muda. Mesmo milhões de ciclos de carga não levam à fadiga do material. “A cerâmica padrão sofreria fadiga de acordo com certos padrões, semelhante ao tipo de fadiga que conhecemos dos metais. Mas essas camadas extremamente finas não mostram esse comportamento”, diz Helmut Riedl. “Sua microestrutura é a mesma no final e no início.”
Isso significa que a durabilidade das camadas finas é determinada exclusivamente por sua tenacidade à fratura: se você exceder um limite de carga característico do material, a camada será destruída – repentina e irreversivelmente. No entanto, todas as cargas abaixo deste limite não são um problema, não envelhecem a camada cerâmica, praticamente não têm efeito.
Novas estratégias de pesquisa
“Claro, isso também muda a estratégia de como os projetos de pesquisa para materiais de revestimento cerâmicos novos e aprimorados são projetados”, diz Helmut Riedl. “Você não precisa fazer longos testes de longo prazo, basta descobrir com um simples teste de carga qual material quebra sob qual força. Você não precisa se preocupar em como possivelmente aliviar os efeitos da fadiga no material, você só precisa encontrar materiais com a maior resistência à fratura possível – mesmo isso não é uma tarefa simples por si só.”
A equipe já conseguiu encontrar um excelente candidato para isso: uma certa forma de diboreto de cromo mostrou-se surpreendentemente resistente nos testes. Isso abre caminho para pesquisas futuras e promissoras, obtendo maior sucesso.
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