O que são materiais nanocristalinos?

melt spinner

Para compreender o conceito de material nanocristalino, é necessário introduzir o conceito de material amorfo e cristalino.

Estrutura cristalina: materiais cristalinos tem seus átomos organizados em uma estrutura ordenada periódica. Implicando em baixa resistividade elétrica, e no caso de materiais magnéticos: anisotropias magneto-cristalina e coercividade altas.

Estrutura amorfa: neste caso não existe ordem de longo alcance na estrutura atômica. Os átomos estão dispostos aleatoriamente no material (semelhante a um “liquido congelado”). Isto implica em alta resistividade elétrica, e no caso de materiais magnéticos, baixa coercividade e alta permeabilidade (devido à baixa anisotropia magnetocristalina).

Materiais nanocristalinos são compostos basicamente de grãos cristalinos de tamanho nanométrico imersos em um material amorfo.

cristalino X amorfo X nanocristalino

Para produzir a estrutura amorfa são utilizadas técnicas de resfriamento ultra-rápido, como a técnica de melt-spinning. Em ligas metálicas, a estrutura nanocristalina pode ser obtida através do crescimento controlado de nanocristais provocados por tratamentos térmicos adequados.

MELT SPINNING:

A técnica de “melt-spinning” [1] consiste em levar o material a seu ponto de fusão e conduzi-lo, na forma de jato, sobre uma roda (de alta condutividade térmica) que fica girando a velocidades em torno de 60 m/s na superfície. Desta forma o material é resfriado rapidamente, a uma taxa aproximada de 106 K/s, produzindo fitas com cerca 10 a 40 µm de espessura.

melt spinner

 

O material no estado líquido (fundido) tem seus átomos em movimento e dispostos aleatoriamente. Impondo um resfriamento rápido o suficiente, a estrutura desorganizada é solidifica nesta condição, impedindo a nucleação e o crescimento de grãos. Obtém-se assim o material amorfo sólido.

Na prática, dependendo da composição química e da taxa de resfriamento, é possível obter uma grande variedade de microestruturas, entre amorfas, nanocristalinas e microcristalinas. Em geral, ligas metálicas cristalinas formadas por esfriamento rápido apresentam microestrutura de grãos finos, maior solubilidade sólida, diminuição de microssegregação, uma distribuição mais fina e uniforme de partículas de segunda fase e mesmo o aparecimento de novas fases metaestáveis.

Para obter altas velocidades de resfriamento, a retirada de calor deve ser muito eficiente, o que é obtido para materiais com dimensões reduzidas na direção do fluxo de calor, formando então fitas ou fios.

Screenshot

 

REFERÊNCIAS:

[1] M. V. P. Altoé, Propriedades Magnéticas e microestrutura em liga Ferro-6.4% Silicio obtida por solidificação rápida – Tese de Doutorado, São Paulo: Escola Politécnica da USP, 1992.

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