Adição de partículas de reforço ao cobre gera material com melhor desempenho em contatos elétricos

Um novo material que combina as excelentes características térmicas e elétricas do cobre com a alta resistência ao desgaste mecânico da fase cerâmica, que pode ser empregado na indústria de contatos elétricos. Esse é o resultado do mais novo depósito de pedido de patente da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), realizado em março junto ao Instituto Nacional da Propriedade Industrial (INPI) sob o nome Material compósito com matriz de cobre reforçada com carbeto de alta entropia ((TaWNbTiV)C e seu processo de obtenção.

Esses contatos elétricos são componentes fundamentais em sistemas elétricos e eletrônicos, tais como interruptores, conectores elétricos, disjuntores, motores elétricos, sistemas de distribuição de energia e equipamentos eletrônicos, entre outros. Dessa forma, o produto resultante atuará diretamente na qualidade e inovação, contribuindo para melhor desempenho desses dispositivos. Tecnicamente, a nova tecnologia é um material compósito produzido com uma matriz de cobre e reforçado com um carbeto de alta entropia.

Os materiais compósitos são heterogêneos e multifásicos, compostos por dois ou mais materiais diferentes com propriedades complementares, orientadas pelo princípio da ação combinada. Esse princípio define que as melhores combinações de materiais são feitas por uma escolha racional de tipos distintos para uma composição resultante. Eles consistem em uma matriz, que é o material principal, reforçado por materiais secundários, chamados de reforços. Os reforços podem ser fibras, partículas ou outros materiais, e são incorporados à matriz para melhorar propriedades, com o objetivo de se obter um produto de maior qualidade.

A invenção é fruto de uma dissertação vinculada ao Programa de Pós-Graduação em Ciências e Engenharia de Materiais (PPGCEM) e contou com a participação de Thalita Queiroz e Silva, na produção do compósito, revisão da literatura e escrita da patente; Pâmala Samara Vieira, na produção da liga de alta entropia (TaWNbTiV), revisão da literatura e escrita da patente; Anderson Costa Marques, na produção do carbeto de alta entropia (TaWNbTiV)-C,  revisão da literatura e escrita da patente; e de Meysam Mashhadikarimi e Uílame Umbelino Gomes, ambos na orientação e revisão da escrita da patente. Thalita Queiroz explicita que, no caso da tecnologia desenvolvida, o carbeto de alta entropia atua para driblar o fato do cobre ter uma baixa resistência mecânica.

“O cobre destaca-se como um dos materiais de contato elétrico mais empregados devido ao seu custo acessível, sua baixa resistividade elétrica, excelente condutividade elétrica e condutividade térmica, além de apresentar alta resistência à corrosão em temperatura ambiente. Contudo, o cobre possui uma baixa resistência mecânica quando submetido a altas temperaturas, como baixa elasticidade e resistência ao desgaste mecânico, fatores que limitam seu âmbito de aplicação. Tais contatos elétricos estão sujeitos a forças mecânicas, como pressão e impacto, especialmente em dispositivos que são frequentemente conectados e desconectados. Materiais com boa resistência mecânica são capazes de suportar essas forças sem deformações permanentes que possam prejudicar o contato elétrico. Conseguimos contornar esse aspecto com o carbeto de alta entropia, sem redução significativa nas propriedades elétricas”, identifica a estudante.

Os carbetos de alta entropia ganharam destaque a partir do conceito de ligas de alta entropia. Estas ligas consistem em uma mistura de cinco ou mais elementos com igual número de moléculas, ao invés de possuir um componente principal. Essa composição diversificada aumenta a entropia da mistura, ou seja, maximiza a quantidade de maneiras pelas quais as partículas podem se distribuir em níveis energéticos. Na conjunção dessas características, os carbetos de alta entropia passaram a ser uma alternativa promissora aos materiais convencionais. Thalita Queiroz salienta que, em comparação aos carbetos de até três elementos, eles demonstraram uma notável elevação nas propriedades mecânicas, apresentando assim um potencial significativo como fase cerâmica de alta resistência para o cobre.

Atualmente, o grupo de cientistas está realizando distintas sinterizações do compósito Cu-(TaWNbTiV)C, utilizando diferentes parâmetros de processamento. O objetivo é validar, por meio de técnicas de caracterização, quais misturasapresentarão melhores desempenhos mecânicos e elétricos. Isso porque os percentuais de massa do cobre, quando comparados ao teor de carbeto de alta entropia, precisam estar em um patamar que não impeça que o material atinja excelentes valores para aplicações em contatos elétricos. O processo de obtenção da nova tecnologia se constituiu de quatro etapas, dentre a produção, moldagem, sinterização e tratamento, usando uma proporção mássica variada entre 75% e 99% de cobre.

Com quase duas dezenas de pedidos de patente vinculados aos experimentos realizados em suas instalações, o Laboratório de Materiais Cerâmicos e Metais Especiais da UFRN combina conhecimentos multidisciplinares, desde a física até a engenharia de materiais, direcionando a uma aplicação prática que o faz ser parte de um protagonismo que a Universidade apresenta a nível regional: líder em concessões de patente nas regiões Norte, Nordeste e Centro-Oeste, a UFRN tem no coordenador do grupo, o professor Uílame Umbelino Gomes, a figura do pesquisador com mais concessões na Instituição, em um total de oito descobertas científicas patenteadas definitivamente.

A atuação não é à toa. Para o professor do Departamento de Física Teórica e Experimental (DFTE), o processo de patenteamento tem grande relevância acadêmica, uma vez que promove um aprimoramento de conhecimento na área estudada. “Ele também facilita parcerias entre instituições acadêmicas e empresas, possibilitando a transferência de tecnologia e conhecimento do ambiente acadêmico para o mercado, onde podem ser comercializados e aplicados, com isso gerando incentivos econômicos para inventores e pesquisadores. Além de aumentar os indicadores de produtividade dos inventores, do programa vinculado e da instituição vinculada”, realça o docente.

Imagens: Divulgação 

Fonte: Agecom/UFRN