Metal oxide nanoparticle formation through detonation - modeling evaluation

Palavras-chave: Prediction detonation products composition and properties,,Carbon,Alumina,Magnesia,Titania,,Zirconia,Powder Production,Thermodynamic Equilibria,Detonation calculations,Carbono,Alumina,Magnésia,Titania,Zircónica .,Produção de Nanopartículas,Equilíbrio Termodinâmico,Modelação e Previsão da Detonação

A produção de nanopartículas cerâmicas por detonação de emulsões metalizadas é uma alternativa importante aos métodos metalúrgicos tradicionais. O tamanho reduzido das partículas obtidas (reação a alta pressão), a fiabilidade do processo da reação (detonação), a formação de partículas em altas temperaturas na pós-detonação com arrefecimento rápido (devido à elevada velocidade de expansão adiabática dos gases) e o controlo da composição da fase condensada são as principais vantagens deste método. Este processo de fabricação inovador, Emulsion Detonation Synthesis Method (EDSM), pode ser definido como um processo de síntese em fase sólida ou gasosa, de acordo com as condições escolhidas, e destaca-se como uma técnica promissora na industrialização da produção de nanopartículas. Neste trabalho é analisada a produção de nanopartículas de Óxidos Metálicos por detonação. Estes materiais são escolhidos devido às suas excelentes propriedades, devido à coexistência de ligações iónicas e covalentes com fortes ligações, tais como: elevada dureza e resistência mecânica a temperaturas elevadas, altas temperaturas de fusão que permitem a sua introdução em aplicações de isolamento térmico e elétrico e ainda a elevada estabilidade química em ambiente adverso. Estas propriedades fazem destes materiais cerâmicos apropriados para diversas aplicações industriais. A produção de óxidos metálicos por detonação pode ser modelada através de programas termoquímicos, neste caso através do programa termoquímico THOR. Para a modelação da formação destas partículas, a temperatura de detonação é a variável mais importante de obter, tal como a concentração dos produtos, sendo considerados o principal objetivo de modelação. Por esta razão, a implementação de equações de estado (térmicas e energéticas) é essêncial, de modo a melhor definir os produtos sólidos. Assim, é necessário derivar estas equações para cada fase de material condensado nos produtos da detonação. Neste trabalho, são utilizadas as Equações Cowan & Fickett para a definição do estado térmico e uma abordagem Mie-Grüneisen com a contribuição térmica dada pelo modelo de Debye para a equação de estado energética, de modo a descrever os sólidos definidos. Estas equações caracterizam mais fielmente o comportamento da formação de partículas de óxidos metálicos (fase sólida condensada) no THOR do que as equações usadas previamente (que representavam as partículas como um gás de elevada densidade (Gordon McBride Polynomials)). Os parâmetros usados nestes modelos são conhecidos apenas para produtos extensamente estudados. Por este motivo, este trabalho centra-se na determinação destes parâmetros para a Alumina, Zircónica, Titania e Magnésia, simulando posteriormente a formação de cada um destes materiais através das equações definidas. Antes da análise da formação de óxidos metálicos na detonação foi realizado um estudo de referência através da formação de espécies condensadas de Carbono, dado o seu extenso estudo e a sua presença nos produtos de misturas reativas de materiais energéticos. A comparação destes resultados provou a validade dos modelos e métodos utilizados na derivação dos parâmetros, bem como a possibilidade de extrapolação para outras simulações. Foram analisados vários artigos com o objetivo de derivar os parâmetros referidos para cada material numa dada fase. Estas equações foram implementadas na base de dados do THOR, o que permitiu a simulação da sua formação e a comparação com os métodos anteriormente usados, provando uma melhor precisão na obtenção das temperaturas e pressões de detonação, bem como na previsão de concentração dos produtos.

Área científica: Ciências da Engenharia e Tecnologias