Processo de fabricação de substratos cerâmicos de alumina usando ligante natural

Abstract

O método de conformação de pós de Alumina para a obtenção de placas cerâmicas com mínima espessura, resistência a fratura e maior tenacidade, tem sido objeto de estudo na aplicação de materiais cerâmicos, utilizados nas indústrias eletrônica e de geração de energia. Os métodos mais usuais para formar peças cerâmicas de espessura fina são: colagem de fita, ou “tape casting”, compactação por rolos “rollcompaction” e prensagem. Para manufatura destas placas cerâmicas de alumina, materiais orgânicos, usualmente sintéticos, são adicionados como ligantes e plastificantes, pois o óxido não possui características de plasticidade. Portanto, tendo em vista obter estas placas com menor impacto ambiental e menor custo, neste estudo foi investigado o efeito do processamento destas placas de alumina, usando ligante natural a base de borracha natural e diferentes métodos de misturas, nas propriedades finais de peças de alumina. A fabricação consiste em quatro etapas: mistura do pó cerâmico e aditivos, prensagem e vulcanização, extração do ligante e sinterização. Três variações de proporção na concentração dos componentes do ligante composto por borracha natural (BN) e parafina (P) foram avaliados: 1:1, 1:2 e 2:3, sendo as últimas proporções mais eficientes em relação a manutenção da integridade das peças após extração do molde de prensagem. Os percentuais de 56, 58, 60, 65 % em volume de pó de Alumina também foram avaliados, sendo os dois primeiros os de melhor aproveitamento quanto à integridade e densidade. Ainda também foi avaliado o método de homogeneização da mistura, utilizando ou não calandra. Inicialmente, com a utilização da calandra as amostras foram desmoldadas com um percentual maior de aproveitamento, mas a medida que o processo foi sendo aprimorado, essa etapa não foi mais considerada relevante. Logo, utilizando o método de conformação por prensagem e aditivos naturais e renováveis, foi possível obter substratos de alumina com espessura abaixo de 0,20mm e densidade acima de 90 % após otimização e controle do processamento. Fundamentalmente após definir a proporção ideal dos aditivos naturais usados como ligantes e plastificantes.

The method of forming Alumina powders to obtain ceramic plates with minimal thickness, fracture resistance and greater tenacity has been the object of study in the application of ceramic materials used in the electronics and power generation industries. The most common methods to form thin ceramic pieces are: tape gluing, or “tape casting”, roller compaction, “rollcompaction” and pressing. For the manufacture of these alumina ceramic plates, organic materials, usually synthetic, are added as binders and plasticizers, as the oxide does not have plasticity characteristics. Therefore, in order to obtain these slabs with less environmental impact and lower cost, this study investigated the effect of processing these alumina slabs, using natural rubber-based binder and different mixing methods, on the final properties of alumina pieces. Manufacturing consists of four steps: mixing ceramic powder and additives, pressing and vulcanizing, extracting the binder and sintering. Three proportion variations in the concentration of the components of the binder composed of natural rubber (BN) and paraffin (P) were evaluated: 1:1, 1:2 and 2:3, with the latter proportions being more efficient in relation to maintaining the integrity of the pieces after extraction from the pressing mold. The percentages of 56, 58, 60, and 65% by volume of Alumina powder were also evaluated, the first two being the ones with the best use in terms of integrity and density. The method of homogenization of the mixture, using or not calender, was also evaluated. Initially, with the use of the calender, the samples were demolded with a higher percentage of utilization, but as the process was being improved, this step was no longer considered relevant. Therefore, using the press forming method and natural and renewable additives, it was possible to obtain alumina substrates with a thickness below 0.20 mm and density above 90% after optimization and control of the processing. Fundamentally after defining the ideal proportion of natural additives used as binders and plasticizers.