Paradigma Meselesi

As técnicas de Têmpera Ultra-Rápida ou RQM se dividem em duas categorias principais: as técnicas de resfriamento rápido e as técnicas de super-resfriamento. Em todas elas o fator principal é a extração rápida de calor, ou a produção de uma solidificação rápida. Entretanto, o que as difere é o método como se produz esta extração. Para se entender esta diferença convém relembrar a teoria de fluxos de calor na solidificação e suas implicações na homogeneização de uma liga, feita no capítulo IV.

5.4.1.1 - Solidificação por resfriamento rápido da liga (têmpera ou vazamento)

Este método difere do crescimento pois inexiste o processo de puxamento do cristal. Baseia-se fundamentalmente na fusão em forno de todos os elementos na proporção

desejada, provocando em seguida, a solidificação rápida da liga em condições que mantenham a mesma composição homogênea do fundido líquido.

a) Carregamento

O silício e o germânio são pesados, misturados e carregados diretamente no cadinho, e os dopantes em pó, são adicionados diretamente à carga. Caso estes dopantes sejam adicionados na forma de gás, eles devem ser borbulhados diretamente no fundido, por exemplo, para o tipo-p, usa-se boro e para o tipo-n, usa-se fósforo, ambos a uma concentração de aproximadamente

1019 átomos/cm3

.

b) Atmosfera

Após o carregamento, a câmara é preenchida com argônio, mantendo-se uma pressão de aproximadamente

0.96 atm

, até a fusão do material. Nesta técnica pode-se fazer a dopagem para obter as ligas tipo-p e tipo-n juntamente com a própria fusão dos elementos da liga.

Figura - 5.4 Montagem do forno usado na solidificação por Têmpera Ultra-Rápida ou RQM, com pá de quartzo usada para agitar o fundido líquido e obter um material homogêneo.

c) Homogeneização

O material é fundido num cadinho de quartzo a

1410ºC

, num forno à indução ou de resistência, sob vácuo ou em atmosfera inerte (fluxo de argônio). Após a fusão, quando a observação visual indicar que todo o material está na fase líquida, é baixado manualmente uma pá de quartzo a qual é usada para agitar o fundido, sendo girada a

100 rpm

durante

5

min

, mantendo-se a atmosfera inicial. O resfriamento rápido do fundido, pode ser feito por "vazamento", despejando-se rapidamente o conteúdo do cadinho numa lingoteira de cerâmica ou quartzo resfriada, ou através da circulação de um fluxo de água a

10ºC

ao redor do cadinho, durante

60-75 segundos

, provocando o "aprisionamento" do germânio e

dos dopantes na estrutura cristalina da liga, evitando desta forma a volatilização e a segregação dos materiais, vide Figura - 5.4 e 5.5.

d) Composição e Estrutura

A estrutura obtida é policristalina com grãos aciculares.

Figura - 5.5 Forno de Indução ou à resistência. Processo adotado pelo JPL e

Laboratórios Sandia para a fusão da Liga de

Si-Ge + Dopantes

.

Esta técnica de "vazamento" faz uso de fornos com câmaras bastante volumosas dotadas de sistema móvel de suporte de cadinho, além de recipiente cerâmico receptor e elementos resistivos ou indutivos fixos ao cadinho, como detalhadamente apresentado por Baughman et al (1974). O grupo de Termoeletricidade da Universidade de Walles em Cardiff utiliza também esta técnica na preparação de suas ligas, ela é ideal na obtenção de cristais homogêneos. É de se imaginar que um forno com estas características foi construído ou no mínimo amplamente adaptado para este fim. Recursos desta ordem inexistem no Grupo de Materiais o que levou a um cuidadoso estudo das possíveis variantes que poder-se-ia lançar mão, na tentativa de se confeccionar cristais com características no mínimo próximas às obtidas por Baughman (1974). Por isso se optou pela adaptação de um forno de indução existente no Departamento de Materiais da Escola de Engenharia de São Carlos para a realização da fusão com resfriameno rápido em água (têmpera).

5.4.1.2 - Solidificação rápida por super-resfriamento

A técnica de fusão com solidificação rápida por super-resfriamento só é possível ser realizada em materiais que apresentam uma curva de resfriamento semelhante a curva da Figura - 5.6, onde existe uma temperatura limite

_Ts

abaixo da temperatura de fusão do material (

_{Ts < Tf}

) em que este permanece líquido, sem formar núcleos cristalinos.

T(K)

tempo (min)

T

T

f s

Figura - 5.6 Gráfico do resfriamento de um material (Temperatura X tempo) com barreira para nucleação

Esta técnica consiste em resfriar o material abaixo da temperatura de fusão, mantendo-o líquido até o limite do super-resfriamento máximo

_Ts

, conforme mostra a Figura - 5.6. Em seguida produz-se a retirada do calor por um resfriamento rápido, trocando-se o calor do material com um meio de boa condução térmica a uma temperatura

_{Ta << Ts}

.

Na prática o super-resfriamento é feito com vários ciclos térmicos de aquecimento e resfriamento. Estes ciclos são necessários porque as impurezas no material tendem a produzir nucleações heterogêneas as quais impedem o abaixamento da temperatura de nucleação

_Tn

até

_Ts

. E quando no resfriamento, após uma fusão constatada visualmente, a medida que observa-se que o material se aproxima da nucleação ou cristalização, eleva-se a temperatura do material para tornar a fundi-lo. Assim são feitos vários ciclos térmicos de elevação e abaixamento da temperatura do forno conforme mostra a Figura - 5.7, a fim de que as impurezas sejam eliminadas por "fluxagem". Onde são absorvidas pelo meio "fluxor" que envolve o material, ou então, são expelidas através da bomba de vácuo. Isto permite abaixar a temperatura de nucleação

_Tn

tornando-a cada vez menor, até que se consiga abaixar a temperatura do material de forma a atinjir o valor mais próximo possível de

_Ts

.

T(K)

tempo (min)

T T f s ciclos térmicos pontos de nucleação Tn

Figura - 5.7 Ciclos térmicos de resfriamento para obtenção de um material homogêneo numa Solidificação Ultra Rápida (RQM) por superesfriamento.

A "fluxagem" é feita envolvendo-se o material a ser fundido num meio que absorva as impurezas, tais como vidro fundido, ou quartzo fundido, rigorosamente limpo (sugere-se ácido clorídrico). A princípio pode-se fazer uma ampôla com uma saída para vácuo, a fim de permitir a retirada das impurezas pela evacuação do sistema.

A operação descrita acima é repetida até quando o material a ser fundido e o material da ampola se unam, devido a diferença de pressão entre o vácuo e a pressão externa. Isto permitirá que o material "fluxor" recubra completamente o material a ser homogeneizado. O vácuo é mantido até produzir o extrangulamento natural do pescoço da ampola, permitindo o total envolvimento do material, conforme mostra a Figura - 5.8. No entanto, os ciclos térmicos devem permanecer até que

_Tn

seja o mais próximo possível de

Ts

, nestas condições é feito imediatamente a retirada de calor por meio de uma têmpera.

O valor estimado do super-resfriamento máximo

_Ts

da liga de

Si-Ge

com

80%Si-20%Ge

(porcentagem atômica) é aproximadamente de

550K

. Detalhes deste cálculo em função da concentração de silício e germânio foi descrito no Anexo - A5.

Uma vez realizada a fusão por um dos processos descritos acima, o material obtido é quebrado e processado por técnicas cerâmicas ou de Tecnologia do Pó para obtenção do termoelemento.

Figura - 5.8 Seqüência de passos na fluxagem com estrangulamento da ampola

Belgede Sosyolojide ilişkisellik ve ilişkisel sosyoloji (sayfa 147-178)