Fortalecimento e tensões residuais em selantes vitrocerâmicos para células a combustível de óxido sólido - Justo, Virgínia Moreira (2020)
Vitrocerâmicas com base no sistema BaO/SrO-MgO-B2O3-SiO2 foram estudadas. Para o sistema BaO-MgO-B2O3-SiO2, a variação da dureza e do módulo elástico foram medidos após um tratamento térmico inicial e depois de submetidas a ciclos térmicos de 750oC/5h. Para tratamentos térmicos de 800°C/100h, a dureza permanece a mesma após a ciclagem térmica. Já aumentando a temperatura do tratamento inicial para 850°C, a dureza diminui após a ciclagem térmica. O módulo elástico permanece constante. A tenacidade à fratura aumenta com tratamentos térmicos de até 100h em 800oC e após, permanece constante devido a cristalização da vitrocerâmica e igual a 1,4 MPa.m1/2. Tensões residuais foram medidas em uniões de vidro/aço Crofer22APU produzidas por fusão a laser. No vidro, a tensão medida por microindentação Vickers foi de -290±40 MPa. As tensões no aço medidas por difração de raios X variaram de 210 a 355 MPa, em valores próximos a sua tensão de escoamento plástico. Tensões residuais medidas no eletrólito sobre anodo por espectroscopia Raman foram de -480±90 MPa. Nas uniões aço/vitrocerâmica 7,5B(Ba)/eletrólito/ânodo tratadas termicamente em 850°C/10h e cicladas, as tensões no eletrólito foram menores, entre -150 e -270 MPa. Para o sistema SrO-MgO-B2O3-SiO2, a razão SrO/MgO foi mantida constante igual a 1,5 e a concentração de SiO2 variou de 50 a 65% em mol. Em outro estudo, 5% e 10% de Al2O3 (mol%) foram adicionados. A última composição estudada foi com adição de 15% de fibras de ZrO2(wt%). Medidas de dilatometria, DTA e sinterização utilizando microscopia a quente foram realizadas. A melhor composição foi a Mg1.5-50(Sr). As composições 10B(Sr), 10B(Sr)+5Al e 10B(Sr)+ZrO2 foram caracterizadas mecanicamente através de medidas de dureza, módulo elástico, resistência a fratura biaxial, tenacidade a fratura, tensões residuais, adesão e auto cura. A difração de raios X indicou principalmente a cristalização da fase Sr2MgSi2O7 na composição 10B(Sr) quando tratada termicamente a 750oC em até 800h. Essa fase também aparece no início do tratamento térmico para a composição 10B(Sr)+5Al. Após 100h, aparece também a fase SrAl2Si2O8. Em ambas as composições, análise por EDS revelaram o aparecimento de fases com composição (1-x)SrO.xMgO.SiO2 e silicatos de Mg e Sr. A tenacidade a fratura da composição 10B(Sr) foi ligeiramente superior à da composição 7,5B(Ba). Além disso, a cristalização da composição 10B(Sr) é menor, fazendo com que ela seja mais favorável ao uso como selante do que a composição 7,5B(Ba). Testes de resistência a fratura em temperatura ambiente e 750oC indicaram que a adição de fibras de ZrO2 aumentaram a resistência mecânica em relação à composição 10B(Sr). A composição 10B(Sr)+5Al também apresentou uma resistência mecânica comparável às amostras de 10B(Sr)+15ZrO2 após 800h de tratamento térmico. A melhor adesão com o aço Crofer22APU após tratamento térmico de 850°C/10h foi o da composição 10B(Sr), sendo igual a 17±2 J.m². A porosidade afetou a adesão das outras composições. As composições 10B(Sr)+15ZrO2 e 10B(Sr)+5Al apresentaram melhor autocura que a composição 10B(Sr), sendo superior a composição 10B(Sr)+5Al. A maior tensão residual no eletrólito em uniões aço Crofer22APU/vitrocerâmica/eletrólito/anodo tratadas a 850oC/10h foi o da composição 10B(Sr), de -620 MPa.