Mecânica

Cobre seis vezes mais duro

Cobre seis vezes mais duro
Combinando técnicas tradicionais de metalurgia com a moderna nanotecnologia, pesquisadores produziram cobre metálico seis vezes mais duro do que o normal. [Imagem: Will Kirk]

Cobre super duro

Combinando técnicas tradicionais de metalurgia com a moderna nanotecnologia, engenheiros da Universidade Johns Hopkins (Estados Unidos) produziram uma forma de cobre metálico puro que é seis vezes mais dura do que o normal, sem significativa perda de ductilidade.

Esse cobre mais resistente e mais duro terá aplicações em dispositivos microeletromecânicos (MEMS), para os quais é mais difícil a produção de ligas que sejam suficientemente resistentes à corrosão.

Dispositivos médicos também serão beneficiados, nos quais o metal puro é mais desejável do que ligas que possam expor o corpo humano a elementos tóxicos, metálicos ou não-metálicos.

Dureza e ductilidade

Dureza é a resistência que o metal suporta sem se deformar.

Ductilidade é a facilidade com que ele pode ser transformado em fios, por exemplo. Tentativas anteriores de reforçar o metal puro quase sempre resultaram em um material que é muito menos dúctil, fraturando-se quando dobrado.

"Nós fomos capazes de aumentar a dureza do cobre puro em níveis superiores à de suas ligas, sem a adição de qualquer outro metal e sem sacrificar a ductilidade." disse En Ma, professor do Departamento de Engenharia e Ciência dos Materiais.

Cobre mais duro e mais resistente

Para tornar o cobre mais resistente, os engenheiros utilizaram manipulação mecânica em condições de frio extremo, seguido por um cuidadoso tratamento térmico.

Os pesquisadores começaram com um cubo de um polegada de aresta, feito de cobre puro disponível comercialmente. O cubo foi mergulhado em nitrogênio líquido, a uma temperatura de 196º C negativos, por períodos entre três e cinco minutos.

Após retirá-lo do nitrogênio, os pesquisadores transformaram o cubo em uma folha de um milímetro de espessura. O cobre era resfriado entre as diversos passagens pela laminação.

Esta manipulação afetou a estrutura cristalina do cobre. A grande deformação criada pela manipulação mecânica criou uma forte desarticulação estrutural, significando que os átomos saíram de seus planos dentro da estrutura cristalina do cobre. A temperatura baixa impediu que esses defeitos fossem corrigidos rapidamente, com o retorno dos átomos para o seu alinhamento original.

Têmpera

A seguir o metal foi colocado em um forno por três minutos a 200º C. "À medida em que ele se aquecia, os deslocamentos desapareceram em um processo chamado de recristalização", explicou o professor. "Formaram-se novos cristais, em grânulos ultrafinos, praticamente livres dos deslocamentos. Quanto maior a densidade dos deslocamentos após a laminação, mais fina é a recristalização durante o aquecimento. Em nossa amostra, estes novos grânulos tinham apenas duas centenas de nanômetros de tamanho, várias centenas de vezes menor do que os cristais originais, fazendo o cobre muito mais forte do que em sua forma original."

Cobre nanocristalino

A mudança na dureza do cobre ocorreu por causa da redução no tamanho dos grânulos, reduzindo-os a um nível similar ao dos materiais nanocristalinos, definidos como os materiais que possuem grânulos menores do que 100 nanômetros.

Quando os grânulos são menores, a área de contato entre grânulos é, no total, maior, bloqueando os deslocamentos dentro da estrutura cristalina, tornando o material mais resistente.

Mas restava ainda a exigência de se manter a ductilidade do cobre. Controlando precisamente a temperatura e o tempo do aquecimento do metal, os engenheiros fizeram com que entre 20 e 25 por cento dos cristais crescessem um pouco mais, em um processo chamado de crescimento anormal dos grânulos. Essa mistura de grandes grânulos entre uma maioria de grânulos ultrafinos, chamada de distribuição bimodal, foi possível manter a ductilidade do cobre original.

Agora, os pesquisadores planejam estender suas experiências para outros metais puros, assim como para ligas metálicas.

Bibliografia:

High tensile ductility in a nanostructured metal
Yinmin Wang, Mingwei Chen, Fenghua Zhou, En Ma
Nature
31 October 2002
Vol.: 419, 912-915
DOI: 10.1038/nature01133




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