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metadata.dc.type: Tese
Title: Fortalecimento e tensões residuais em selantes vitrocerâmicos para células a combustível de óxido sólido
Other Titles: Reforzamiento y tensiones residuales en sellos vitrocerâmicos para pilas de combustible de óxido sólido
metadata.dc.creator: Justo, Virgínia Moreira
metadata.dc.contributor.advisor1: Serbena, Francisco Carlos
metadata.dc.contributor.advisor2: Francisco, María Jesús Pascual
metadata.dc.contributor.referee1: Cabral Júnior, Aluísio Alves
metadata.dc.contributor.referee2: Silvan, Miguel Manso
metadata.dc.contributor.referee3: Chinelatto, Adilson Luiz
metadata.dc.description.resumo: Vitrocerâmicas com base no sistema BaO/SrO-MgO-B2O3-SiO2 foram estudadas. Para o sistema BaO-MgO-B2O3-SiO2, a variação da dureza e do módulo elástico foram medidos após um tratamento térmico inicial e depois de submetidas a ciclos térmicos de 750oC/5h. Para tratamentos térmicos de 800°C/100h, a dureza permanece a mesma após a ciclagem térmica. Já aumentando a temperatura do tratamento inicial para 850°C, a dureza diminui após a ciclagem térmica. O módulo elástico permanece constante. A tenacidade à fratura aumenta com tratamentos térmicos de até 100h em 800oC e após, permanece constante devido a cristalização da vitrocerâmica e igual a 1,4 MPa.m1/2. Tensões residuais foram medidas em uniões de vidro/aço Crofer22APU produzidas por fusão a laser. No vidro, a tensão medida por microindentação Vickers foi de -290±40 MPa. As tensões no aço medidas por difração de raios X variaram de 210 a 355 MPa, em valores próximos a sua tensão de escoamento plástico. Tensões residuais medidas no eletrólito sobre anodo por espectroscopia Raman foram de -480±90 MPa. Nas uniões aço/vitrocerâmica 7,5B(Ba)/eletrólito/ânodo tratadas termicamente em 850°C/10h e cicladas, as tensões no eletrólito foram menores, entre -150 e -270 MPa. Para o sistema SrO-MgO-B2O3-SiO2, a razão SrO/MgO foi mantida constante igual a 1,5 e a concentração de SiO2 variou de 50 a 65% em mol. Em outro estudo, 5% e 10% de Al2O3 (mol%) foram adicionados. A última composição estudada foi com adição de 15% de fibras de ZrO2(wt%). Medidas de dilatometria, DTA e sinterização utilizando microscopia a quente foram realizadas. A melhor composição foi a Mg1.5-50(Sr). As composições 10B(Sr), 10B(Sr)+5Al e 10B(Sr)+ZrO2 foram caracterizadas mecanicamente através de medidas de dureza, módulo elástico, resistência a fratura biaxial, tenacidade a fratura, tensões residuais, adesão e auto cura. A difração de raios X indicou principalmente a cristalização da fase Sr2MgSi2O7 na composição 10B(Sr) quando tratada termicamente a 750oC em até 800h. Essa fase também aparece no início do tratamento térmico para a composição 10B(Sr)+5Al. Após 100h, aparece também a fase SrAl2Si2O8. Em ambas as composições, análise por EDS revelaram o aparecimento de fases com composição (1-x)SrO.xMgO.SiO2 e silicatos de Mg e Sr. A tenacidade a fratura da composição 10B(Sr) foi ligeiramente superior à da composição 7,5B(Ba). Além disso, a cristalização da composição 10B(Sr) é menor, fazendo com que ela seja mais favorável ao uso como selante do que a composição 7,5B(Ba). Testes de resistência a fratura em temperatura ambiente e 750oC indicaram que a adição de fibras de ZrO2 aumentaram a resistência mecânica em relação à composição 10B(Sr). A composição 10B(Sr)+5Al também apresentou uma resistência mecânica comparável às amostras de 10B(Sr)+15ZrO2 após 800h de tratamento térmico. A melhor adesão com o aço Crofer22APU após tratamento térmico de 850°C/10h foi o da composição 10B(Sr), sendo igual a 17±2 J.m². A porosidade afetou a adesão das outras composições. As composições 10B(Sr)+15ZrO2 e 10B(Sr)+5Al apresentaram melhor autocura que a composição 10B(Sr), sendo superior a composição 10B(Sr)+5Al. A maior tensão residual no eletrólito em uniões aço Crofer22APU/vitrocerâmica/eletrólito/anodo tratadas a 850oC/10h foi o da composição 10B(Sr), de -620 MPa.
Abstract: Glass-ceramics based on the system BaO/SrO-MgO-B2O3-SiO2 were studied. For the BaO-MgO-B2O3-SiO2 system, the variation in hardness and elastic modulus was measured after an initial heat treatment and after being subjected to thermal cycles of 750°C/5h. For heat treatments of 800°C/100h, the hardness does not change after thermal cycling. By increasing the temperature of the initial treatment to 850°C, the hardness decreases after thermal cycling. The elastic modulus remains constant. The fracture toughness increases with heat treatments of up to 100h at 800°C. With increasing the time further at 800°C, it remains constant due to the crystallization of the glass-ceramic and is equal to 1.4 MPa.m1 / 2. Residual stresses were measured in Crofer22APU steel/glass joints produced by laser cladding. In glass, the stress measured by Vickers microindentation was -290 ± 40 MPa. The stresses in the steel measured by X-ray diffraction ranged from 210 to 355 MPa, with values close to its yield stress. Residual stresses measured in the electrolyte/anode joint by Raman spectroscopy were -480 ± 90 MPa. In the steel/7.5B (Ba) glass-ceramic / electrolyte /anode joints heat treated at 850 °C/10h and cycled, the stresses in the electrolyte were lower, from -150 to -270 MPa. For the SrO-MgO-B2O3-SiO2 system, the SrO / MgO ratio was kept constant and equals to 1.5 and the SiO2 concentration varied from 50 to 65 mol%. In another study, 5% and 10% Al2O3 (mol%) were added. The last composition studied was with the addition of 15% ZrO2 fibers (wt%). Dilatometry, DTA and sintering measurements using hot stage microscopy were performed. The best composition was Mg1.5-50(Sr). The compositions 10B(Sr), 10B(Sr)+5Al and 10B(Sr)+ZrO2 were mechanically characterized by measurements of hardness, elastic modulus, biaxial fracture strength, fracture toughness, residual stresses, adhesion and self-healing. X-ray diffraction indicated the crystallization of Sr2MgSi2O7 phase in composition 10B(Sr) when heat treated at 750°C up to 800h. This phase also appears at the beginning of the heat treatment for the composition 10B(Sr)+5Al. After 100h, the SrAl2Si2O8 phase also appears. In both compositions, analysis by EDS revealed the appearance of phases with composition (1-x)SrO.xMgO.SiO2 and Mg and Sr silicates.The fracture toughness of composition 10B(Sr) was slightly higher than that of composition 7,5B(Ba). In addition, the crystallization of composition 10B(Sr) is lower, making it more favorable for use as a sealant than composition 7.5B(Ba). Fracture strength tests at room temperature and 750°C indicated that the addition of ZrO2 fibers increased the mechanical resistance in relation to the composition 10B (Sr). The composition 10B(Sr)+5Al also showed a fracture resistance comparable to the samples 10B(Sr)+15ZrO2 after 800h of heat treatment. The best adhesion with Crofer22APU steel after heat treatment of 850°C/10h was that of composition 10B(Sr),being equal to 17 ± 2 J.m². Porosity affected the adhesion of other compositions.Compositions 10B(Sr)+15ZrO2 and 10B(Sr)+5Al showed better self-healing than composition 10B(Sr), being superior to the composition 10B(Sr)+5Al. The highest residual stress in the electrolyte in Crofer22APU/glass-ceramic/electrolyte/anode joints heat treated at 850°C/10h was composition 10B (Sr), of -620 MPa.
Keywords: SOFC
Selantes vitrocerâmicos
Propriedades mecânicas
SOFC
Vitrocerámicas
Propriedades mecánicas
SOFC
Glass-ceramics
Mechanical properties
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Estadual de Ponta Grossa
metadata.dc.publisher.initials: UEPG
metadata.dc.publisher.department: Departamento de Física
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências
Citation: JUSTO, Virginia Moreira. Fortalecimento e tensões residuais em selantes vitrocerâmicos para células a combustível de óxido sólido. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Estadual de Ponta Grossa; Universidad Autónoma de Madrid, Ponta Grossa, 2020.
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: http://tede2.uepg.br/jspui/handle/prefix/3155
Issue Date: 17-Feb-2020
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