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Oct 25, 2023

Laboratórios Nacionais de Idaho, Idaho Falls, ID

Muitas das tecnologias atuais de alto desempenho – reatores nucleares, espaçonaves, usinas solares concentradas e células de hidrogênio – requerem materiais avançados. Avançado significa que eles são feitos de metais e cerâmicas que podem suportar condições extremas ou atender a especificações exatas.

No passado, esses materiais avançados eram normalmente fabricados a partir de pó que era derramado em uma matriz, submetido a alta pressão e lentamente aquecido em um processo chamado prensagem a quente. No entanto, a prensagem a quente resulta em desperdício de calor, contribuindo para custos elevados. Esses custos limitaram o uso generalizado de materiais avançados em indústrias que fabricam itens de uso diário, como automóveis.

Mais recentemente, os engenheiros desenvolveram um processo de economia de custos chamado sinterização por plasma de faísca (SPS). Em vez de calor, o SPS envia eletricidade através da matriz e, às vezes, do próprio material, para fundir as moléculas de metais em pó, cerâmica ou uma mistura de ambos.

Agora, o Idaho National Laboratory desenvolveu recursos de classe mundial para ajudar a indústria a projetar processos de fabricação SPS eficientes. A mais nova aquisição do laboratório, uma das maiores máquinas do gênero no mundo, possibilita a fabricação de novos materiais em escalas industrialmente relevantes.

"O processo SPS é muito mais rápido, muito mais eficiente em termos de energia e mais capaz de manter as propriedades originais e superiores do pó na peça totalmente sinterizada", disse Troy Holland, Cientista/Engenheiro Sênior de Materiais SPS do INL.

Manter as propriedades do material em pó original é importante devido aos requisitos de desempenho muitas vezes rigorosos dessas peças. "Se você aquecê-los por muito tempo, muitas vezes perde os benefícios que tinha no pó original", disse Holland.

A INL projetou e construiu quatro máquinas SPS personalizadas que variam desde o suporte a pequenos experimentos em escala de bancada até sistemas de grande formato e alto rendimento em escala industrial.

Como o próprio nome indica, o Nano-SPS é uma pequena máquina que pode fundir metal ou pó de cerâmica para fazer peças em escalas nanométricas a micrométricas. O Nano-SPS não é feito para a construção de peças comerciais, por si só, mas é uma máquina experimental que pode ajudar os pesquisadores a prever e controlar a nanoestrutura e a microestrutura de um componente, observando como os materiais em pó fluem e interagem em resolução nanométrica.

Os experimentos de difração de raios X e nêutrons usando a configuração Nano-SPS fornecem dados em tempo real sobre a evolução química e da microestrutura durante o processo SPS.

Compreender como as moléculas de pó interagem durante o SPS, desde ligações atômicas até nanoestruturas locais e microestruturas, é importante porque a variação nessas escalas pode fazer uma grande diferença no desempenho.

"Nosso objetivo é entender e controlar o processo bem o suficiente para poder controlar as microestruturas locais das peças", disse Holland, "isso nos permite minimizar a variação ou aproveitar a variação intencional local dentro da peça da maneira mais repetível possível para produzir peças pré-qualificadas."

A próxima máquina, a Micro-SPS, pode fabricar peças em escalas de aproximadamente micrômetros a centímetros e também é útil para entender a evolução microestrutural. O Micro-SPS é usado para determinar dados de cinética de sinterização de material a granel. Ele faz isso fornecendo janelas para o ferramental para dar suporte a radiografias de raios X e nêutrons em tempo real do processamento de SPS em massa.

O SPS também é uma tecnologia emergente para a fabricação avançada de combustíveis nucleares. O Sistema de Sinterização por Plasma de Faísca Radiológica (RSPS) no Complexo de Materiais e Combustíveis do INL é um sistema propositalmente projetado que é integrado a um porta-luvas de trabalho radiológico.

A DCS-800 é uma máquina SPS maior que pode fazer peças de até um metro quadrado de tamanho. Localizado no Laboratório de Sistemas de Energia do INL, o DCS-800 opera em alta potência, altas temperaturas e alta pressão. Ele permite que materiais que foram descobertos em escala de bancada sejam demonstrados em escalas industrialmente relevantes.