Baixar trabalho - Painel PEMM

Preparação de Eletrólito por Colagem de Fita para Aplicação em Pilha a Combustível de
Óxido Sólido
Nicole Villalva Vilardo*, Cristiane Abrantes da Silva, Paulo Emílio Valadão de Miranda
*[email protected], bolsista de IC do Projeto PEMM 14733
Laboratório de Hidrogênio – LabH2, PEMM-COPPE-UFRJ
CP 68505, 21941-972, Rio de Janeiro, RJ
Resumo
A colagem de fitas é um dos meios mais baratos, simples e eficientes para conformar suspensões cerâmicas
em lâminas finas, sendo a técnica dominante na produção de eletrólito, utilizada pelas principais companhias
envolvidas no desenvolvimento de pilha a combustível de óxido sólido. A etapa mais crítica deste processo
de conformação é a preparação de barbotinas com elevado teor de sólidos e elevado teor de aditivos
orgânicos, tais como ligante e plastificante. Este trabalho tem como principal objetivo produzir fitas de
zircônia estabilizada com 8% molar de ítria com diferentes formulações a fim de estabelecer o efeito do
processamento sobre as propriedades microestruturais e, desta forma, adquirir condições necessárias para a
obtenção de placas cerâmicas para atuar como suporte das pilhas.
Palavras-chave: eletrólito, zircônia estabilizada com ítria, colagem de fita.
Introdução
Materiais e métodos
A produção de placas cerâmicas densas de
zircônia estabilizada com 8% molar de ítria (ZEI)
com espessura variando de 10 µm a 1 mm pode
ser feita por colagem de fita, que consiste numa
técnica de conformação cerâmica de custo
relativamente baixo [1]. O processamento de
colagem de fita envolve a dispersão de um pó
cerâmico em um veículo basicamente constituído
de solvente, ligante e plastificante para atingir
determinadas características reológicas. A
seleção e o controle desses aditivos são
fundamentais para um processamento bem
sucedido, e conseqüentemente, a obtenção do
produto final com as propriedades requeridas [2].
Neste trabalho, foram preparadas suspensões
aquosas de ZEI com concentrações variadas de
aditivos. As fitas obtidas foram analisadas quanto
ao seu comportamento térmico (secagem e
sinterização) e a relação da altura da lâmina
niveladora em função da espessura da fita. A
microestrutura das placas foi analisada por
microscopia eletrônica de varredura (MEV) de
seção transversal e de superfície. A análise de
fases foi realizada por difração de raios X (DRX).
As suspensões foram preparadas em duas
etapas. Na primeira, o pó cerâmico de zircônia
estabilizada com ítria (Fuel Cell Materials) foi
cominuído por 24 horas em um moinho de bolas
planetário com água desionizada e ligante (WB
4101 - Polymer Innovations, Inc.). Na segunda
etapa, foi adicionado plastificante (PL005 Polymer Innovations, Inc.) e a barbotina foi
homogeneizada em moinho por mais 24 horas.
Em seguida, a mistura foi transferida para um
béquer, adicionado anti-espumante e mantida sob
agitação magnética em um dessecador à vácuo
por 12 horas para a desaeração. Para a
conformação das fitas foi utilizado o equipamento
Tape Casting Machine TTC1200 (Mistler, Inc.),
onde a barbotina foi depositada em uma esteira
coletora (Mylar) aquecida em diferentes
condições (Figura 1). Após a evaporação do
solvente, tem-se como produto um filme flexível,
que foi retirado do substrato e cortado.
Posteriormente, o material cerâmico foi présinterizado a 1300°C por 6h. A Figura 2
apresenta o fluxograma das etapas fundamentais
do processo.
Painel PEMM 2011 – 10 e 11 de novembro de 2011 – PEMM/COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil
Resultados e discussão
A Tabela 1 apresenta as condições de secagem
das fitas. O processo de secagem consiste na
remoção dos solventes e aditivos orgânicos por
meio de transporte e evaporação. Desta forma,
esta etapa deve ser cuidadosamente controlada
de forma a evitar a introdução de defeitos na
microestrutura da placa cerâmica [3]. A partir da
análise dos resultados da Tabela 1 pode-se
concluir que a 1° etapa de secagem deve ser
realizada a baixa temperatura e maior tempo de
permanência para evitar o aparecimento de
trincas e heterogeneidade microestrutural.
difratogramas evidenciaram a presença da
estrutura cúbica tipo fluorita como fase
majoritária. A fase cúbica é desejada, pois possui
maior condutividade iônica, se comparada com as
com as demais formas cristalinas.
Figura 3 – Difratogramas do pó cerâmico de ZEI e da
fita sinterizada.
Figura 1 – Foto de uma fita após deposição.
Na Figura 4 tem-se a micrografia da superfície da
fita sinterizada, onde é possível constatar elevado
grau de densificação. Evidenciam-se também
poros nas regiões inter e intragranulares. Cabe
ressaltar, que maiores temperaturas de
sinterização são necessárias para promover
maior densificação e conseqüentemente o
fechamento dos poros remanescentes.
Figura 4 – Imagem de MEV da superfície da fita
sinterizada.
Conclusões
Figura 2 – Fluxograma das etapas do processo de
colagem de fita.
Tabela 1: Condições de secagem
Secagem
Amostra
Comentários
1° etapa 2° etapa
40°C
70°C
Tp1
Poros
48h
24h
80°C
55°C
Tp2
Trincas
24h
48h
40°C
70°C
Tp3
Heterogêneo
24h
48h
A Figura 3 apresenta os difratogramas de raios X
do pó cerâmico de ZEI e da fita sinterizada. Os
Considerando os dados obtidos, pode-se concluir
que é possível conformar cerâmicas densas
utilizando a técnica de colagem de fitas. Este
estudo preliminar evidenciou que as condições de
tratamento
térmico
estão
diretamente
relacionadas à microestrutura da placa cerâmica.
Portanto, o estudo revelou a necessidade de um
maior tempo tanto na etapa de deaeração quanto
de secagem.
Referências
[1] T. Dias, D.P.F. Souza, Revista Matéria, 13 (2008)
448.
[2] D. Hotza, Cerâmica, 43 (1997) 283.
[3] R.E. Mistler, E.R. Twiname, The American
Ceramic Society, 2000.
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