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Estudo comparativo das técnicas de fabricação e do comportamento de fratura de compósitos cerâmicos multicamadas à base de alumina

Alumina is a ceramic material with interesting properties, having high hardness, good wear strength, good compressive strength and chemical stability at high temperatures, which led to its application in refractory plates in furnaces, thermal insulators, electronic components and prostheses for biom...

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Autor principal:	Stocco, Alison Fernando
Formato:	Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)
Idioma:	Português
Publicado em:	Universidade Tecnológica Federal do Paraná 2021
Assuntos:	Materiais compostos Material cerâmico Óxido de alumínio Mecânica da fratura Tensões residuais Composite materials Ceramic materials Aluminum oxide Fracture mechanics Residual stresses CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA
Acesso em linha:	http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25428
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id	riut-1-25428
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spelling	riut-1-254282021-07-02T06:04:10Z Estudo comparativo das técnicas de fabricação e do comportamento de fratura de compósitos cerâmicos multicamadas à base de alumina Comparative study of manufacturing techniques and fracture behavior of aluminabased multilayer ceramic composites Stocco, Alison Fernando Salem, Raphael Euclides Prestes Carvalho, Luiz Eduardo de Brondino, Odney Carlos Salem, Raphael Euclides Prestes Materiais compostos Material cerâmico Óxido de alumínio Mecânica da fratura Tensões residuais Composite materials Ceramic materials Aluminum oxide Fracture mechanics Residual stresses CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA Alumina is a ceramic material with interesting properties, having high hardness, good wear strength, good compressive strength and chemical stability at high temperatures, which led to its application in refractory plates in furnaces, thermal insulators, electronic components and prostheses for biomedical applications, among other components. However, its inherent brittleness becomes a limiting factor for advanced engineering applications, such as in the aerospace, biomaterials and nuclear industries. In this sense, an alternative to circumvent this issue and improve the reliability of ceramic materials is the construction of multilayer ceramic composites (CCMs). In order to analyze the fracture behavior of aluminabased CCMs, the influence of the composition, the main manufacturing methods, and the quantity, location and thickness of the layers that compose these materials were studied, based on a bibliographic review on the topic. This study sought to point out the most promising strategies for manufacturing ceramic alumina composites capable of absorbing higher values of fracture energy than alumina monoliths. The presence of internal interfaces separating the layers increases the distance coursed by the cracks that propagate in the material, through the mechanisms of deflection and bifurcation of cracks, in addition to delamination. The CCMs can be classified into two groups. Those with a weak interface deliver a significant gain in ductility, mainly due to the effect of delamination between the layers. The CCMs with a strong interface are built in such a way that residual stresses promote increased resistance to crack propagation. In both groups, controlling the thickness of the layers is essential to ensure the desired effects. The presence of residual compressive stress in some layers is capable of stopping the progress of the failure, requiring an increase in the imposed stress to continue the fracture process. This phenomenon promotes the effect of the threshold strength, which corresponds to a stress value at which the material does not fail under smaller stresses, regardless of the original size of the defect. This feature, combined with the promotion of noncatastrophic failures, allows the material to be applied with greater reliability in hightech industrial applications, such as structural, ballistic, thermal components and cutting tools. The study of the fracture behavior of the CCMs based on alumina indicated a tendency to increase the fracture toughness and ductility of these materials when compared to the alumina monolith. A alumina é um material cerâmico com propriedades interessantes, possuindo elevada dureza, boa resistência ao desgaste, boa resistência à compressão e estabilidade química em altas temperaturas, o que levou à sua aplicação em placas refratárias de fornos, isolantes térmicos, componentes eletrônicos e próteses para aplicações biomédicas, entre outros componentes. Porém, sua fragilidade inerente se torna um fator limitante para aplicações avançadas de engenharia, como nas indústrias aeroespacial, de biomateriais e nuclear. Nesse sentido, uma alternativa para contornar essa questão e melhorar a confiabilidade dos materiais cerâmicos é a construção de compósitos cerâmicos multicamadas (CCMs). Com objetivo de analisar o comportamento de fratura dos CCMs à base de alumina, foram estudados, a partir de uma revisão bibliográfica sobre o tema, a influência da composição, dos principais métodos de fabricação, e da quantidade, localização e espessura das camadas que compõem estes materiais. Este estudo procurou apontar as estratégias mais promissoras para se fabricar compósitos cerâmicos de alumina capazes de absorver maiores valores de energia durante a fratura do que os monólitos de alumina. A presença de interfaces internas, separando as camadas, aumenta a distância percorrida pelas trincas que se propagam no material, por meio dos mecanismos de deflexão e bifurcação de trincas, além de delaminação. Os CCMs podem ser classificados em dois grupos. Aqueles com interface fraca entregam um ganho significativo de ductilidade, devido principalmente ao efeito da delaminação entre as camadas. Os CCMs de interface forte, por sua vez, são construídos de modo que as tensões residuais promovam o aumento da resistência à propagação de trincas. Em ambos os grupos, o controle da espessura das camadas é essencial para garantir os efeitos desejados. A presença de tensão residual de compressão em algumas camadas é capaz de frear o avanço da falha, exigindo aumento da tensão imposta para dar continuidade no processo de fratura. Esse fenômeno promove o efeito do limiar de resistência, que corresponde a um valor de tensão ao qual o material não falha sob tensões menores, independentemente do tamanho original do defeito. Esta característica, aliada à promoção de falhas não catastróficas, permite que o material seja aplicado com maior confiabilidade em aplicações industriais de alta tecnologia, como em componentes estruturais, balísticos, térmicos e em ferramentas de corte. O estudo do comportamento de fratura dos CCMs à base de alumina indicou tendência de ganho de tenacidade a fratura e ductilidade destes materiais se comparado ao monólito de alumina. 2021-07-01T21:05:54Z 2021-07-01T21:05:54Z 2021-05-03 bachelorThesis STOCCO, Alison Fernando. Estudo Comparativo das técnicas de fabricação e do comportamento de fratura de compósitos cerâmicos multicamadas à base de alumina. 2021. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2021. http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/25428 por openAccess application/pdf Universidade Tecnológica Federal do Paraná Londrina Brasil Engenharia de Materiais UTFPR
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description	Alumina is a ceramic material with interesting properties, having high hardness, good wear strength, good compressive strength and chemical stability at high temperatures, which led to its application in refractory plates in furnaces, thermal insulators, electronic components and prostheses for biomedical applications, among other components. However, its inherent brittleness becomes a limiting factor for advanced engineering applications, such as in the aerospace, biomaterials and nuclear industries. In this sense, an alternative to circumvent this issue and improve the reliability of ceramic materials is the construction of multilayer ceramic composites (CCMs). In order to analyze the fracture behavior of aluminabased CCMs, the influence of the composition, the main manufacturing methods, and the quantity, location and thickness of the layers that compose these materials were studied, based on a bibliographic review on the topic. This study sought to point out the most promising strategies for manufacturing ceramic alumina composites capable of absorbing higher values of fracture energy than alumina monoliths. The presence of internal interfaces separating the layers increases the distance coursed by the cracks that propagate in the material, through the mechanisms of deflection and bifurcation of cracks, in addition to delamination. The CCMs can be classified into two groups. Those with a weak interface deliver a significant gain in ductility, mainly due to the effect of delamination between the layers. The CCMs with a strong interface are built in such a way that residual stresses promote increased resistance to crack propagation. In both groups, controlling the thickness of the layers is essential to ensure the desired effects. The presence of residual compressive stress in some layers is capable of stopping the progress of the failure, requiring an increase in the imposed stress to continue the fracture process. This phenomenon promotes the effect of the threshold strength, which corresponds to a stress value at which the material does not fail under smaller stresses, regardless of the original size of the defect. This feature, combined with the promotion of noncatastrophic failures, allows the material to be applied with greater reliability in hightech industrial applications, such as structural, ballistic, thermal components and cutting tools. The study of the fracture behavior of the CCMs based on alumina indicated a tendency to increase the fracture toughness and ductility of these materials when compared to the alumina monolith.
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