Hierarchical structured ceramic membranes obtained by centrifugal casting using an in silico approach

Abstract

O Centrifugal casting é uma técnica de moldagem destinada à fabricação de estruturas cerâmicas tubulares, onde o tamanho e a densidade das partículas são utilizados para produzir materiais com gradiente funcional e membranas assimétricas. Contudo, algumas ideias bem estabelecidas sobre os fenômenos de segregação são discutíveis e permanecem inconclusivas. Por exemplo, as partículas menores não necessariamente concentram-se na região interna e as partículas maiores não se acumulam na externa. A partir deste ponto, vários parâmetros de processamento foram estudados através do planejamento robusto de Taguchi, usando simulação baseada no método de elementos discretos para gerar os dados. Pós de alumina e níquel foram empregados como materiais modelo para avaliar o tempo de formação, a espessura, a circularidade, e as mudanças na densidade relativa e na distribuição de tamanho de partícula ao longo da seção transversal do tubo à verde. O diâmetro médio de partícula e a velocidade de rotação são os parâmetros mais influentes no tempo de formação. A fração volumétrica de sólidos na suspensão precursora é decisiva em relação às propriedades estruturais do tubo, e a segregação de partículas é desprezível, exceto para diferenças de tamanho acima de uma ordem de grandeza. A segregação devido à densidade também foi observada, mas as diferenças de tamanho podem facilmente ofuscar seu efeito, conforme confirmado por meio de trabalhos experimentais.

Abstract: Centrifugal casting is a shaping technique intended for ceramic tubular structures manufacture, where the particle size and density are exploited to produce functionally graded materials and asymmetrical membranes. However, some well-established insights about the segregation phenomena are debatable and remain unclear. For instance, small particles do not necessarily stay in the inner region, and the bigger particles do not accumulate in the outer. Herein several manufacturing parameters were studied through Taguchi?s robust design, using a discrete element method-based simulation to generate the data. Alumina and nickel powders were used as model materials, assessing the green cast formation time, the cast thickness, the roundness, and also the changes in relative density, and particle size distribution along the cast?s cross-section. The mean particle diameter and the rotation speed are the most influential parameters for the casting time. The volume fraction of solids on the precursor slurry is decisive regarding the cast structural properties, and particle segregation is negligible, excepting for size differences above one order of magnitude. Density segregation was also observed, but the size differences can easily overshadow its effect, as confirmed through experimental work.