26 de fevereiro de 2018
Novo processo de tratamento de superfície permite união do alumínio e outros metais, como titânio e zinco, com quase todos os tipos de material. Aplicação tem potencial para indústria náutica e aeroespacial

Por Marcio Ishikawa |

Pesquisadores da Universidade de Kiel, na Alemanha, desenvolveram um novo processo de preparação de superfície de metais, que não acarreta em alterações em suas propriedades. Chamado de escultura em nanoescala, ela é feita através de tratamento eletroquímico controlado em escala micrométrica, em que uma fina camada da superfície do metal é “enrugada”, tornando-a mais estável e adequada para união com outros materiais.

O novo método permite que metais como alumínio, titânio e zinco sejam unidos permanentemente com quase a totalidade de outros materiais. “Nós aplicamos aos metais uma tecnologia que antes era conhecida apenas na área dos semicondutores. Usar esse processo da forma como fizemos é algo inteiramente novo”, disse o Dr. Jürgen Carstensen, um dos co-autores da pesquisa. A perspectiva para a aplicação da escultura em nanoescala é bastante ampla, indo desde a metalurgia na indústria náutica e aeroespacial a até implantes na área de tecnologia médica.

Existem outros processos com resultados semelhantes, mas todos eles acabam afetando, de uma forma ou outra, as propriedades originais do metal. “O processo de escultura em nanoescala que nós desenvolvemos não danifica os metais, nem afeta a sua estabilidade”, enfatizou o Professor Rainer Adelung, chefe da equipe de “Nanomateriais Funcionais” do Instituto de Ciência dos Materiais. “Dessa forma, podemos conectar de forma permanente metais que, antes, não podiam ser unidos, como alumínio e cobre.”

Como é
Uma importante característica das ligas de alumínio é a formação de uma fina camada de óxido de alumínio (Al2O3) quando o alumínio líquido entra em contato com o ar/umidade – e que é quimicamente estável e protege o metal contra a corrosão. O mesmo acontece com as ligas de zinco e titânio, citadas no estudo. No entanto, a presença de cristais e grãos, de outros elementos que compõe a liga ou de áreas que sofreram danos microscópicos, podem comprometer a estabilidade da camada de óxido ou apresentar baixa aderência. Esse tipo de ocorrência compromete uma eventual estrutura de adesão com polímeros.

Escultura em nanoescala
Foto: Melike Baytekin Gerngrob / Kiel University

O tratamento químico desenvolvido por Kiel promove a dissolução da camada de óxido de alumínio e a remoção desses cristais e grãos instáveis, áreas danificadas ou de baixa aderência. Uma vez feito isso, a topografia superior da superfície do metal torna-se tridimensionalmente irregular, repleta de picos, estruturas em forma de ganchos, cavidades e reentrâncias (foto acima). Essa camada tem de 10 a 20 micrômetros – um fio de cabelo humano, em média, tem 50 microns.

Escultura em nanoescala
foto: Julia Siekmann / Kiel University

Apesar de irregular, toda a superfície fica coberta com óxido de alumínio estável, livre de pontos de instabilidade ou falhas. Mas, além disso, essa topografia irregular resultante da escultura em nanoescala auxilia na união com outros materiais – e esta é a principal diferença em relação ao processo de anodização. Quando um polímero é aplicado entre os dois metais tratados, a união faz com que tais superfícies irregulares promovam um intertravamento natural, encaixando-se como em um quebra-cabeças em três dimensões. “Essas conexões tridimensionais são praticamente inquebráveis”, explica Melike Baytekin-Gerngrob, autor-líder da publicação. “Nos testes que realizamos, foi normalmente o metal ou o polímero que se quebrou, não a conexão em si.”

Na foto acima, placas de alumínio que receberam apenas tratamento de jateamento (acima) não puderam ser unidas adequadamente- como mostra o fato de que conseguiram ser separadas e uma delas não manteve resíduos de cola. Já nas placas de alumíno abaixo, tratadas com o processo de escultura em nanoescala, conseguiram ser separadas, mas as duas partes mantiveram a cola – mostrando que a união entre a cola e o metal permaneceu e a separação ocorreu pela separação da cola em si. 

Escultura em nanoescala
Julia Siekmann / Kiel University

O tratamento químico resulta em uma alteração vísível a olho nu, com a superfície do metal tornando-se fosca, semelhante a quando o metal é tratado com uma lixa (foto acima). No entanto, há uma diferença fundamental, como explica o Dr. Mark-Daniel Gerngrob, da equipe de pesquisa de materiais de Kiel. “Se tratamos o metal com uma lixa, nós também atingimos essa mudança em sua aparência, mas essa alteração é apenas bidimensional e não altera as características funcionais da superfície”, diz. “Já a escultura nanométrica resulta nas conexões tridimensionais que fortalecem e estabilizam a união.”

Condições extremas
Graças às conexões tridimensionais, a limpeza de superfície deixa de ser um fator fundamental para que a união ocorra – em métodos convencionais, até uma fina camada de gordura deixada por uma impressão digital pode comprometer a união das duas partes. “Em nossos testes, passamos até óleo de transmissão nas superfícies metálicas e, ainda assim, a conexão aconteceu”, explicou Baytekin-Gerngrob.

Além disso, a equipe de pesquisa de Kial expôs as juntas de superfícies tratadas à condições extremas, com elevadas temperatura e umidade. A ideia era a de simular a ação do clima a céu aberto. Os resultados mostraram que nada afetou a estabilidade das juntas. Carstensen enfatiza: “Nossas conexões são extremamente robustas e resistentes à variações climáticas”.

Um efeito colateral do processo é que as superfícies do metal tratadas tornam-se repelentes à água. O estrutura irregular, repleta de picos e vales, funciona como um labirinto tridimensional vedado, sem aberturas que podem ser penetradas pela água, formando uma espécie de auto-proteção interna contra corrosão. “Nós não conhecemos esse tipo de comportamento em metais como o alumínio. Um efeito lótus em metais puros, sem a aplicação de um revestimento repelente, é algo totalmente novo”, disse Adelung, referindo-se à planta cujas folhas tem exatamente esta característica, a de repelir a água em função de rugosidades nanométricas em sua superfície.

Leia também: Técnicas de união são a chave para o uso intensivo do alumínio na indústria automobilística

Escultura em nanoescala

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