Novo cobre durável

Por meio de um ciclo de tratamento térmico, os pesquisadores desenvolveram uma liga resistente à fratura que suporta altas cargas cíclicas necessárias para o resfriamento elastocalórico

Universidade de Ciências de Tóquio

imagem: Pesquisadores da Tokyo University of Science desenvolveram uma liga mais durável ao submetê-la a repetidos aquecimentos e resfriamentos através do limite de fase, resultando em tamanhos de grão maiores e menos limites de grãoVeja mais

Crédito: Kenjiro Fujimoto da TUS, Japão

O efeito elastocalórico é um fenômeno em que um material exibe uma mudança de temperatura quando é exposto a um estresse mecânico. A mudança de temperatura ocorre devido a uma diferença de entropia resultante de uma transformação martensítica acompanhada pela mudança da estrutura cristalina do material sob tensão. Um efeito análogo é observado quando o elástico é esticado: suas cadeias poliméricas se alinham de maneira ordenada, fazendo com que sua entropia diminua. Isso faz com que o elástico descarregue calor para o ambiente e fique mais quente. Quando o elástico é solto, ocorre o contrário, e o elástico esfria.

Como os elásticos, as ligas metálicas superelásticas com memória de forma (SMAs) também podem utilizar o efeito elastocalórico para resfriamento. SMAs à base de cobre (Cu) que consistem em Cu, alumínio (Al) e zinco (Zn) são particularmente promissores devido ao seu baixo custo e demandas de estresse modestas para desencadear o aumento de temperatura. No entanto, os SMAs de Cu-Al-Zn sofrem de problemas de fadiga cíclica, pois seus grãos de cristal grosso e numerosos contornos de grão são suscetíveis à fratura devido à expansão e contração repetidas.

Agora, em um estudo publicado no Journal of Physics: Energy em 31 de março de 2023, o professor Kenjiro Fujimoto, da Tokyo University of Science, o professor Ichiro Takeuchi, da University of Maryland, juntamente com pesquisadores da Maryland Energy & Sensor Technologies, EUA, desenvolveram um SMA de Cu-Zn-Al altamente durável, capaz de suportar um grande número de cargas cíclicas. "Temos buscado condições para promover o crescimento de grão da liga 68Cu-16Al-16Zn para melhorar suas propriedades elastocalóricas", diz o Prof. Fujimoto, explicando a motivação por trás do estudo.

Recentemente, eles relataram que submeter as ligas Cu-Al-Mn a aquecimento e resfriamento repetidos nas fases mista e de alta temperatura aumentou o tamanho de grão do material. Intrigado com essas descobertas, a equipe decidiu investigar se transformações de fase semelhantes poderiam melhorar as propriedades das ligas Cu-Zn-Al.

Para preparar as ligas Cu-Al-Zn, os pesquisadores combinaram Cu, Al e Zn em um cadinho de carbono. Eles fundiram os metais a baixas pressões para suprimir a volatilização do zinco. Depois que a liga foi preparada, os pesquisadores resfriaram e enrolaram em lingotes de 7 mm de espessura em três taxas de laminação diferentes (0%, 67% e 83%, respectivamente). As temperaturas do limite de fase da liga foram então determinadas usando difração de raios X de alta temperatura, que revelou que o limite de fase entre a fase mista e a fase de alta temperatura ocorreu entre 700°C e 750°C. Com base nisso, os pesquisadores aqueceram e resfriaram repetidamente a liga entre 500°C e 900°C.

Todos os lingotes submetidos ao ciclo de tratamento térmico apresentaram aumento no tamanho de grão do cristal, sendo o aumento máximo observado nas ligas laminadas a uma taxa de 67%. O tamanho de grão do lingote puro era de 2,21 mm, mas o tamanho médio de grão do lingote tratado termicamente neste grupo aumentou para 11,1 mm.

"Os resultados indicam que o tratamento térmico através do limite da fase periódica, além da taxa de rolagem de 67%, é eficaz para o crescimento de grãos do tipo cristalino único", disse o Prof. Fujimoto. Com seus grãos maiores e menos contornos de grão, a liga tratada termicamente era muito mais resistente à fratura e era capaz de suportar mais de 60.000 ciclos mecânicos a 2% de deformação.

O processo de tratamento térmico também resultou em melhorias significativas nas propriedades elastocalóricas da liga Cu-Zn-Al. Em comparação com as ligas previamente relatadas da mesma composição, a liga tratada termicamente apresentou calor latente de 6,3 J/g na liberação da deformação, que é mais que o dobro do valor medido anteriormente de 2,3 J/g. Isso indica que a liga tratada termicamente pode resfriar com mais eficiência. Adicionalmente, a liga apresentou diferença de temperatura adiabática de +5,9 K e -5,6 K no carregamento e descarregamento, respectivamente, em baixas cargas cíclicas (106 MPa).