Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais

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Produção, dispersão e consolidação de zircônia obtida a partir do tungstato de zircônio
(2016-03-04) Antunes, Márjore; Zorzi, Janete Eunice; Gouvêa, Douglas; Costa, Tânia Maria Haas; Figueroa, Carlos Alejandro; Cruz, Robinson Carlos Dudley
O presente trabalho tem por objetivo principal explorar a produção, a dispersão e a consolidação de zircônia (óxido de zircônio – ZrO2), em sua forma hidratada, obtida a partir do tungstato de zircônio (ZrW2O8), em meio alcalino e em condições de temperatura de até 100°C. A produção dos materiais particulados foi realizada sob diferentes condições experimentais (concentração de NaOH, tempo e temperatura) de modo a investigar como as características cristalográficas, morfológicas, químicas e térmicas dos pós produzidos são afetadas e, com base nesses resultados, buscou-se inferir o mecanismo pelo qual o ZrW2O8, pó micrométrico e insolúvel em água, originou partículas nanométricas de zircônia em condições brandas de síntese. Neste trabalho também se explorou a dispersão das partículas de zircônia, no momento de sua síntese, com o uso de trietanolamina (TEOA) como surfactante, de modo a obter soluções coloidais estáveis que pudessem ser ultracentrifugadas visando à obtenção de corpos de zircônia transparentes de forma controlada. Verificou-se, de um modo geral, que os materiais particulados produzidos sem a adição de TEOA são compostos por aglomerados de nanopartículas constituídas majoritariamente por Zr e O, com partículas primárias de tamanho próximo a 5 nm e cristalitos inferiores a 3 nm. Os pós apresentaram uma estrutura cristalina semelhante à da ZrO2 cúbica (ou de uma mistura de fases tetragonal e cúbica dependendo da condição de síntese), que formam aglomerados de elevada área superficial, mesoporosidade e capacidade para adsorção de água e dióxido de carbono em diferentes sítios superficiais. O mecanismo da síntese parece ser constituído, primeiramente, por uma reação química de substituição entre os tetraedros de WO4 e íons hidroxila, com posterior solubilização de parte da estrutura, pelo excesso de hidroxilas no meio, formando íons zircônio coloidais que polimerizam/condensam para a formação de núcleos cristalinos para posterior crescimento, em um processo facilitado por nucleação heterogênea e supersaturação. Além disso, a presença de tungstênio remanescente em todas as amostras parece ser um fator importante para a estabilização do tamanho e da estrutura cristalina dos materiais produzidos. A utilização de TEOA no processo de síntese permitiu a obtenção de corpos amarelados e transparentes, por ultracentrifugação, semelhantes a géis, que podem ser entendidos como um híbrido contendo material orgânico e WOx/ZrO2.
Comportamento do atrito por indentação em nanoescala do aço-carbono AISI 1045 nitretado e pós-oxidado com diferentes nanocamadas de magnetita
(2016-02-25) Bogoni Júnior, Nério; Figueroa, Carlos Alejandro; Alvarez, Fernando; Perottoni, Cláudio Antônio; Michels, Alexandre Fassini
O fenômeno de atrito ainda não possui um entendimento em termos fundamentais. Tal compreensão poderia contribuir no esclarecimento da dissipação de energia por atrito durante a interação entre os átomos de duas ou mais superfícies ao longo de um contato. Essa interpretação para pequenas escalas pode levar ao desenvolvimento de novos materiais, ou mesmo a avanços em materiais já existentes e ainda na engenharia de superfícies, visando uma melhor eficiência energética de componentes para diversas finalidades. Com foco nas leis fundamentais do atrito, neste trabalho investigou-se quantitativamente o comportamento do atrito nas camadas mais externas do aço AISI 1045. Para isso, as superfícies do mesmo foram nitretadas e pós oxidadas à plasma, gerando diferentes nanocamadas de óxido, as quais variaram de 0 a 408 nm. Para a caracterização morfológica foram empregadas técnicas de microscopia de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES). A determinação das estruturas cristalinas presentes nas camadas superficiais das amostras foi obtida por difração de raios X (DRX) em ângulo rasante. Como resultado, foi observado que a camada nitretada é composta de nitretos γ’-Fe4N e ε-Fe2-3N, enquanto que as camadas superficiais das amostras oxidadas são compostas apenas por Magnetita (Fe3O4) com espessuras nanométricas. O coeficiente de atrito, ou do ingês, coefficient of friction (CoF), além dos dados de rugosidade e módulo elástico reduzido foram obtidos por ensaios de nanoindentação. Foi evidenciado que propriedades como dureza e rugosidade das amostras analisadas não mudam fortemente, dentro da incerteza experimental. No entanto, quando comparadas as amostras oxidadas com a somente nitretada foi observado que o coeficiente de atrito diminui quando a superfície contém a fase magnetita. Porém, comparando apenas as amostras oxidadas o CoF não variou com a espessura das nanocamadas do óxido. Com isso, pode se inferir que o comportamento do atrito é influenciado pela mudança físico-química da superfície (nitrogênio versus oxigênio, nitretos versus magnetita). Os resultados experimentais podem ser explicados com base em modelos de dissipação de energia por fônons. Os referidos modelos relacionam os modos de frequência vibracionais dos átomos presentes na superfície com o coeficiente de atrito e permitem inferir que em ensaios com indentações de até 200 nm o mecanismo dissipativo (atrito) é iniciado por vibrações locais e não coletivas.
Desenvolvimento e caracterização de composições elastoméricos de EPDM com redução no teor de óxido de zinco
(2016-02-29) Gujel, Angela Artini; Crespo, Janaina da Silva; Nunes, Regina Celia Reis; Gheller Júnior, Jordão; Andrada, Mára Zeni
Óxidos de zinco (ZnO), com partículas de tamanho nano (nano ZnO) são um tipo de carga inorgânica multifuncional, que apresenta um vasto uso e importância em formulações elastoméricas. Notavelmente, as mais relevantes pesquisas com nano ZnO estão direcionadas em usá-lo como um substituto do ZnO convencional e, que tem a função principal de ativador de vulcanização para sistemas com enxofre ou doadores de enxofre para composições de borracha. Neste trabalho, o efeito de três tipos de ZnO foi investigado em compostos com terpolímero de etileno-propileno-dieno (EPDM). ZnO convencional (sZnO), nano ZnO (ZnO 40) e nano ZnO disperso em carbonato de cálcio (ZnO 30) e suas características analisadas. A caracterização destes óxidos de zinco foram através de análises de absorção atômica, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, área superficial específica e distribuição de tamanho de partículas e poros. As composições elastoméricas foram processadas em um misturador de rolos industrial e os diferentes tipos de ZnO foram adicionados em um misturador de rolos de laboratório. Uma composição para perfis automotivos foi preparada variando a quantidade de sZnO (1, 2, 3, 4 e 5 partes por cem de borracha (phr)). Para ZnO 30 e ZnO 40, dez composições foram desenvolvidas (1, 2, 3, 4, e 5 phr), além de um composto sem a adição de ZnO (amostra Branco). As propriedades de cura foram determinadas a partir de um reômetro de disco oscilatório. As composições não vulcanizadas também foram caracterizadas por um viscosímetro Mooney e um analisador de processamento de borracha (RPA). Após a vulcanização, as amostras tiveram suas propriedades físico-mecânicas analisadas, bem como por microscopia eletrônica de varredura. O envelhecimento acelerado em estufa, os parâmetros e mecanismos cinéticos de degradação foram estudados para os compostos com mesmo teor em massa de Zn (sZnO 4 phr, ZnO 30 3 phr e ZnO 40 2 phr), além da amostra Branco. Os resultados destas investigações demonstraram que ZnO 30 e ZnO 40 apresentam menor tamanho de partícula e maior área superficial, tornando-os mais reativos e classificando-os como nano ZnO. O efeito dos três diferentes ZnO nas propriedades físico-mecânicas das composições foram satisfatórios, demonstrando que resultados similares são obtidos utilizando menores teores de ZnO na formulação, principalmente com o uso de nano ZnO. A partir dos cálculos de energia de ativação, constatou-se que com o uso de ZnO 30 e ZnO 40 os valores desta propriedade foram superiores ao sZnO, confirmando a maior estabilidade térmica. O mecanismo de reação de degradação determinado pelo método de Coats Redfern (CR) e confirmado pelo método de Criado foi do tipo F1, que significa uma reação com cisão randômica da cadeia polimérica, em termos de cinética de primeira ordem. Assim, o uso de nano ZnO torna-se interessante, economicamente viável e importante para o meio ambiente, pois conseguiu-se uma redução de Zn nas composições sem prejuízo ao desempenho mecânico dos artefatos.
Preparação e caracterização de filmes finos automontados de polieletrólitos/TiO2/CdSe para aplicação na geração de hidrogênio a partir da fotocatálise da água
(2016-02-22) Faria, Ana Claudia Rangel; Crespo, Janaina da Silva; Pereira, Marcelo Barbalho; Gorella, Laura Berasain; Beal, Lademir Luiz; Aguzzoli, Cesar
Filmes finos automontados (FFA) por adsorção física, compostos por polímeros orgânicos e nanopartículas de semicondutores inorgânicos são considerados um processo barato e não-poluente de deposição, que permite obter filmes com elevada organização molecular. Neste trabalho, o principal objetivo foi produzir e caracterizar FFA, através da técnica camada por camada (LbL), bem como avaliar o potencial de aplicação destes sistemas para a produção de hidrogênio (H2) através da quebra da molécula da água por irradiação solar. Foram depositados três conjuntos diferentes de filmes, onde o sistema catiônico e o número de camadas depositadas (40) foram comuns aos três tipos de FFA. O sistema catiônico foi composto pelas soluções aquosa do policátion hidrocloreto de polialilamina (PAH) e coloidal do semicondutor inorgânico seleneto de cádmio (CdSe). Os sistemas aniônicos foram compostos pelas soluções aquosas do poliânions orgânicos poli(ácido acrílico) (PAA) e poli-(3,4-etilenodioxitiofeno):poli(ácido estirenosulfônico) (PEDOT:PSS) e coloidal do semicondutor fotoativo óxido de titânio (TiO2 P25 e TiO2 STS-100). Análises dos FFA realizadas por perfilometria revelaram que as espessuras dos filmes automontados são da ordem nanométrica. Através do espectro de refletância difusa observou-se bandas de absorção na região do ultravioleta próximo à região do visível e, através da cromatografia, foi determinado a taxa média de produção H2. O sistema com o maior valor da taxa de produção de H2 – (PAH + CdSe)/(PEDOT:PSS + TiO2 STS-100) – foi otimizado em 120 camadas. Na avaliação da contribuição do tipo de nanopartícula do semicondutor para a geração de H2, os resultados de cromatografia indicaram que a combinação de (CdSe + TiO2 STS-100) promove um aumento de 75% desta geração quando comparado ao FFA composto somente pelo semicondutor TiO2 STS-100.
Microestrutura e propriedades tribológicas de aços austeníticos Fe-Cr-Ni-Mo sinterizados com adição de itria e boro
(2016-05-31) Serafini, Francisco Lanferdini; Farias, Maria Cristina More; Rodrigues, Daniel; Ornaghi Júnior, Heitor Luiz; Vieceli, Alexandre
Aços inoxidáveis austeníticos são materiais amplamente utilizados em sistemas que exigem elevadas resistências à oxidação e à corrosão. No entanto, quando em contato com outras superfícies, esses materiais possuem elevado coeficiente de atrito e baixa resistências ao desgaste. Uma alternativa para melhorar suas propriedades tribológicas é a utilização de lubrificantes sólidos adicionados em suas composições pela técnica de metalurgia do pó (M/P). Materiais como itria e boro têm se mostrado eficazes em melhorar as propriedades mecânicas e tribológicas de ligas Fe-Cr-Ni-Mo. Nesse contexto, o objetivo desse estudo foi avaliar o efeito da adição de boro e de itria na microestrutura e nas propriedades tribológicas de aços inoxidáveis austeníticos Fe-Cr-Ni-Mo obtidas por M/P. Foram preparadas amostras de 316L por M/P em quatro condições diferentes. Duas amostras, uma sem aditivo e outra com 0,6% p de boro adicionado à composição do 316L, foram processadas a pressão de compactação de 800 MPa e temperatura de sinterização de 1240°C. Além dessas, duas amostras, uma sem aditivo e outra com 1,0% p de itria adicionada à composição do 316L, foram processadas a pressão de compactação de 400 MPa e temperatura de sinterização de 1280°C. Determinou-se a composição química por espectrometria de emissão óptica, a microdureza Vickers, a microestrutura por MEV e EDS, o comportamento tribológico por ensaio de deslizamento alternado (coeficiente de atrito e coeficiente de desgaste específico) e por MEV e EDS (mecanismos de desgaste). Os resultados mostraram que a adição de boro aumenta significativamente a resistência ao desgaste dos materiais, devido à melhor densificação e à formação de fases duras (como boretos ricos em cromo e molibdênio) na sinterização. A adição de itria, mesmo com o aumento da dureza, diminui a resistência ao desgaste, pois dificultou a densificação devido a sua baixa interação com a matriz austenítica do material. O coeficiente de atrito se manteve em 0,8 para todos os materiais, o que indica que os aditivos não o influenciam e não atuam como lubrificantes sólidos. Os mecanismos de desgaste observados nas superfícies dos materiais desgastado foram os mecanismos por adesão e por reação triboquímica.
Preparação e caracterização de revestimentos híbridos de poliuretano-ureia a partir de fontes renováveis
(2016-08-26) Ourique, Pedro Antonio; Bianchi, Otávio; Celso, Fabrício; Martins, Johnny de Nardi; Zorzi, Janete Eunice; Soares, Márcio Ronaldo Farias; Fiori, Rudinei
O presente trabalho teve como motivação investigar a viabilidade na utilização de polióis, produzidos a partir da oxidação induzida de óleo de soja comercial e utilizar estes como precursores na síntese de revestimentos híbridos de poliuretano-ureia. O óleo de soja foi escolhido por ter baixo custo, ser oriundo de fontes renováveis e apresentar em sua molécula locais com potencialidade para modificação química. Os polióis produzidos por oxidação induzida foram caracterizados por titulometria, espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear do próton 1H (RMN 1H), cromatografia por permeação em gel (GPC) para identificar a formação de grupos hidroxila em sua molécula e determinar o tempo adequado de oxidação do óleo. Após serem caracterizados, os polióis foram utilizados na síntese de revestimentos híbridos de poliuretano-ureia para serem utilizados na proteção de superfícies metálicas. Os precursores utilizados na síntese foram o óleo de soja oxidado durante 24 h (OSO-24h), óleo de soja oxidado durante 48 h (OSO-48h), 4,4'-difenil metano diisocianato (MDI), 3-aminopropil trimetoxisilano (APTMS). As análises de FTIR dos revestimentos híbridos revelaram a presença de grupos Si-O-Si, indicando a formação de uma rede híbrida, a qual também foi identificada pela análise de espectroscopia de ressonância magnética nuclear do próton 29Si (RMN 29Si), quando foi verificada a presença de estruturas T0, T1, T2 e T3 (onde o índice 0, 1, 2 ou 3 indica o número de grupos de siloxanos ligados ao átomo de silício). O mapa composicional obtido por espectroscopia de energia dispersiva (EDS) revelou que as amostras contendo aminosilano apresentam estruturas com separação de fase; isto aconteceu devido à diferença na taxa relativa de formação dos grupos ureias frente aos grupos uretanos. As análises de difração de raios X (DRX) exibem um perfil típico de materiais amorfos e a técnica de espalhamento de raios X a baixo ângulo (SAXS) revela que os domínios rígidos possuem formatos esféricos com tamanhos entre 1-6 nm. Os revestimentos aplicados em substratos metálicos foram aprovados nos testes de adesão, resistência ao impacto e flexibilidade segundo as normas da sociedade americana de testes e materiais (ASTM), entretanto, o ensaio de névoa salina revelou que os revestimentos sem o aminosilano apresentam maior resistência à corrosão, em comparado com os materiais híbridos, em virtude da formação de uma fase rica em silício, a qual atua como inicializadora da reação de corrosão.
Preparação e caracterização de novos materiais híbridos a partir de (3-aminopropil) trimetoxisilano
(2016-02-24) Luvison, Caroline; Bianchi, Otávio; Maru, Márcia Marie; Giovanela, Marcelo; Figueroa, Carlos Alejandro; Mauler, Raquel Santos
Nesse trabalho, foi investigada a obtenção de novos materiais a partir de reações de hidrólise e condensação ácida do (3-aminopropil)trimetoxisilano, que resultaram na formação de nanoestruturas híbridas com grupos amônios e contraíons cloreto (POSS-NH3Cl). As nanoestruturas posteriormente foram submetidas a trocas iônicas durante 0,5, 2, 12 e 48 h, para remoção dos íons cloreto. As análises titulométricas mostraram que a troca iônica ocorreu parcialmente. As partículas de POSS-NH2 formadas apresentam predominância de estruturas em forma de gaiola (T8) octafuncionalizadas. Após a troca iônica, as nanoestruturas possuem capacidade de se autoassociar por meio de interações eletrostáticas formando estruturas do tipo blackberry com aproximadamente 100 nm. Os aglomerados de POSS-NH2 são formados por partículas primárias com tamanho de 1,4 nm em forma de fractal de massa e tamanho de correlação () dependente da quantidade do tempo de troca iônica. Devido à característica eletrostática das partículas foi possível obter filmes híbridos opticamente transparentes com elevado grau de hidrofilicidade. As nanopartículas de POSS-NH2 foram utilizadas como aditivo de lubrificantes de fontes renováveis (ácidos graxos) por meio de reações de amidação direta assistida por micro-ondas, sem o uso de catalisadores. A formação das ligações amidas foi constatada por meio das técnicas FTIR e RMN de 1H, onde observaram-se bandas de deformação angular do NH em 1550 cm-1 e 1120 cm-1 e o aparecimento de um singleto alargado em 6,50 ppm (N-H). Em termos estruturais, para o biolubrificante foi constatado que uma molécula de ácido graxo liga com uma molécula de POSS-NH2, entretanto foi notada ainda a existência de aglomerados após a amidação, conforme resultados de MET dos lubrificantes. O uso de POSS-NH2 reduziu a taxa de oxidação dos biolubrificantes com dependência do tempo de troca iônica das partículas. Todos os biolubrificantes apresentaram comportamento reológico newtoniano, e a viscosidade a 25ºC mostrou-se dependente da quantidade de partículas e não do tempo de troca iônica. A adição de nanopartículas de POSS-NH2 melhorou o desempenho dos biolubrificantes aplicados em superfícies metálicas, visto que tribossistema estudado apresentou valores inferiores e mais estáveis de coeficiente de atrito em comparação com o óleo base. Além disso, os biolubrificantes apresentaram uma elevada capacidade do suporte de carga, que representa a carga crítica para a ocorrência de engripamento (scuffing) do sistema. A resistência ao desgaste das superfícies metálicas variou com a adição de partículas no óleo lubrificante e com os tempos de troca iônica adotados para a síntese das partículas.
Desenvolvimento de bandas de rodagem com menor resistência ao rolamento e menor impacto ambiental
(2016-07-29) Moresco, Suélen; Crespo, Janaina da Silva; Russi, Cristina; Ornaghi Júnior, Heitor Luiz; Giovanela, Marcelo; Jacobi, Marly Antonia Maldaner
A indústria de pneumáticos está em constante desenvolvimento com o intuito de que seus produtos sejam mais seguros, duráveis, ecológicos e, ainda, proporcionem economia de energia. Para alcançar essas metas são necessárias melhorias nas propriedades de resistência à abrasão, aderência em pista molhada e resistência ao rolamento, além da utilização de matérias-primas ecologicamente corretas. Nesse contexto, o objetivo do presente trabalho foi desenvolver uma formulação elastomérica para banda de rodagem de pneu de automóvel com essas características técnicas e menor impacto ambiental, através do uso de aditivos alternativos. Assim, o óleo naftênico foi substituído por um lubrificante proveniente de fonte vegetal, e o óxido de zinco (ZnO) por um aditivo com menor percentual de zinco. Além disso, foi avaliada a substituição total/parcial do negro de fumo (NF) pela cinza da casca de arroz (CCA). A caracterização destes aditivos foi realizada através de análises de área superficial específica, distribuição de tamanho de partículas e poros e análise de pH. Foi desenvolvida uma formulação padrão para bandas de rodagem para pneu de passeio (6phr de óleo naftênico e 40 phr de negro de fumo). A partir desta formulação foram desenvolvidas formulações com a substituição total do NF (40 phr) pela CCA (20, 40, 60, 80 e 100 phr) e com a substituição parcial desta carga (30NF/10CCA e 20NF/20CCA). Nestas formulações, o óleo proveniente de fonte vegetal (3phr) foi utilizado em substituição ao óleo naftênico (6 phr). A CCA foi avaliada comparativamente à sílica e à cinza da casca de arroz tratada (CCAT), onde foi avaliada a reação de silanização em uma, duas e três etapas de reação. Na última etapa do trabalho foi escolhida a formulação com as melhores propriedades para avaliação da substituição do ZnO pelo zinco orgânico. Os resultados demonstraram que o aumento do número de etapas de silanização ocasiona uma diminuição nos valores de efeito Payne, relacionada a uma melhor interação polímero-carga. Porém, não foram observadas melhoras significativas nas propriedades mecânicas com o aumento do número de etapas. Os resultados mostraram que é possível substituir totalmente o óleo naftênico pelo óleo vegetal, o óxido de zinco padrão pelo zinco orgânico, e substituir parcialmente o NF pela CCA com ganhos de 21,7% na resistência a abrasão e 18,8% na resistência ao rolamento da banda de rodagem. Estes resultados são de grande importância para a indústria pneumática, uma vez que aliam a sustentabilidade à utilização de matérias-primas de fontes renováveis e o reaproveitamento de um resíduo agroindustrial.
Relaxação estrutural da fase amorfa do tungstato de zircônio
(2016-08-25) Miotto, Fernanda; Perottoni, Cláudio Antônio; Pereira, Altair Sória; Balzaretti, Naira Maria; Bianchi, Otávio; Silva, Sidnei Moura e
O tungstato de zircônio (ZrW2O8) é um material cerâmico que exibe diversos compor-tamentos incomuns: expansão térmica negativa, amorfização induzida por altas pressões (entre 1,5 GPa e 2,0 GPa) e recristalização endotérmica quando aquecido a temperaturas superiores a 600 C. A relaxação estrutural exotérmica e irreversível é o fenômeno que precede a recristalização da fase amorfa do composto e é caracterizada por um espectro contínuo de energia de ativação. Este trabalho tem como objetivo principal explorar o mecanismo de relaxação estrutural da fase amorfa do tugnstato de zircônio, em particular, determinar se este fenômeno envolve a quebra das ligações W-O formadas durante a amorfização. Com esta finalidade, foram utilizadas as técnicas de ressonância magnética nuclear de estado sólido do núcleo 17O (RMN), espectroscopia Raman e espectroscopia na região do infravermelho longínquo (FT-FAR-IR). Além disso, como objetivo secundário, foi calculado, por meio de medidas de calorimetria exploratória diferencial modulada (MDSC) o espectro de energia de ativação deste processo. Esse cálculo envolveu a resolução do problema inverso originado do modelo cinético utilizado, que resulta em uma equação integral de Fredholm do primeiro tipo. O espectro obtido apresenta uma distribuição assimétrica de probabilidade de que processos cinéticos ocorram como função da energia com dois máximos em aproximadamente 1.4 eV e 2.7 eV, indício de que dois processos com mecanismos distintos ocorrem durante a relaxação. A evolução da estrutura amorfa durante a relaxação foi acompanhada por RMN do estado sólido do núcleo 17O e por meio das técnicas de espectroscopias vibracionais. Os resultados indicam que durante a relaxação estrutural da fase amorfa do ZrW2O8 não ocorre quebra das ligações W-O formadas durante a amorfização, mas apenas um rearranjo local dos átomos de oxigênio. Somente na temperatura de recristalização é fornecida energia suficiente para que ocorra o rompimento destas ligações.
Contribuições do fenômeno de atrito no sistema ferro puro nitretado e pós-oxidado
(2017-06-09) Menezes, Caren Machado; Figueroa, Carlos Alejandro; Alvarez, Fernando; Gasparin, Alexandre Luis; Perottoni, Cláudio Antônio; Soares, Márcio
O controle e a redução de atrito podem auxiliar na elaboração de estratégias de eficiência energética e na redução da emissão de dióxido de carbono (CO2). Apesar de existirem leis fenomenológicas bem estabelecidas para o atrito, não há uma definição da relação das propriedades macroscópicas/microscópicas com as propriedades fundamentais e nanoscópicas. O entendimento dessas correlações e dos mecanismos de dissipação de energia envolvidos no fenômeno de atrito podem ajudar no maior controle do coeficiente de atrito. Neste trabalho, o coeficiente de atrito de sistemas de óxidos na camada mais externa de ferro puro (99,99%) previamente nitretado são investigados visando encontrar relações entre as leis fenomenológicas, propriedades mecânicas e modelos teóricos envolvendo a dissipação energética via fônons. Para isso as amostras foram caracterizadas utilizando espectroscopia de emissão óptica de descarga luminescente (GD-OES), difração de raios X (DRX), tomografia de ponta atômica (APT), microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia eletrônica de varredura por transmissão (STEM), nanoindentação e deslizamento unidirecional. Na caracterização experimental foi observada uma redução gradativa do coeficiente de atrito, a qual foi acompanhada por um aumento do teor de óxido na superfície. Apesar disso, essa tendência não foi observada na evolução das propriedades mecânicas. Logo, os cálculos teóricos baseados em mecanismos de dissipação fonônica aplicados para calcular o coeficiente de atrito representaram bem os valores experimentais. De forma geral, a mudança do coeficiente de atrito pode ser explicada mediante contribuições fonônicas, porém as forças de atrito do presente sistema não são totalmente determinadas por mecanismos fonônicos (sic).
Clarificação de vinho branco por microfiltração utilizando diferentes membranas cerâmicas e compósitas
(2016-12-15) Cristofoli, Kélen; Zeni, Mara; Bergmann, Carlos Pérez; Venezuela, Antonio Luis; Baldasso, Camila; Giovanela, Marcelo
A microfiltração tangencial aplicada à clarificação de vinho branco tem se tornado uma importante alternativa aos processos convencionais de filtração na indústria vinícola, como a filtração por terras diatomáceas, trasfega e centrifugação. O uso de membranas cerâmicas tem despertado interesse para esta finalidade. Neste trabalho, diferentes membranas cerâmicas e compósitas tubulares, mono e multicanal, de diferentes tamanhos de poro, foram avaliadas quanto à sua morfologia e testes de permeabilidade hidráulica e do vinho branco, a fim de verificar a influência da estrutura destas no fluxo de vinho branco permeado, bem como, avaliar a presença de resíduos sólidos suspensos no vinho permeado decorrente de seu processo de clarificação. As membranas foram caracterizadas por difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FESEM), espectroscopia de dispersão de energia (EDS), porosimetria por intrusão de mercúrio, testes de permeabilidade e retenção de proteínas. O tamanho médio de poro apresentado pelas membranas variou de 0,0056 a 5,0 µm. As membranas compósitas apresentaram ótima retenção proteica, 99%, para solutos com massa molar acima de 45 kDa. Membranas de α-alumina tratadas termicamente a 1450ºC e membranas compósitas de α-alumina/poliamida 66 demonstraram, em média, redução de 99,9% da turbidez inicial do vinho, sendo possível reduzir de 720 NTU para, em média, 0,30 NTU, com possibilidade de estabilização tartárica em sete dias e fluxos de permeado que variaram de 60,8 a 8,8 L.m-2.h-1, respectivamente, a 1,0 bar de pressão. Por outro lado, membranas de mulita e titânia não demonstraram eficiência para a clarificação, sendo que o vinho permeado pela membrana de mulita apresentou turbidez de 20 NTU e aumento do índice de polifenóis totais (IPT). Membranas compósitas permitiram a redução de 37% no valor de IPT do vinho branco. O baixo valor de turbidez obtido nos vinhos permeados pelas membranas de alumina e compósitas demonstra forte perspectiva da utilização destas membranas na clarificação do vinho branco.
Produção fotocatalítica de hidrogênio a partir de filmes finos poliméricos nanoestruturados suportados em substrato flexível
(2017-03-17) Dal' Acqua, Nicolle; Crespo, Janaina da Silva; Martinelli, Antonio Eduardo; Zorzi, Janete Eunice; Gimenez, Juliano Rodrigues; Pereira, Marcelo Barbalho
O uso de energias renováveis como a energia solar para a produção de gás hidrogênio (H2), por meio do processo fotocatalítico da quebra da molécula de água, é uma alternativa promissora às fontes de energias convencionais. Neste contexto, a produção de filmes finos nanoestruturados de diferentes materiais é uma aplicação que pode aliar a fotocatálise e a nanotecnologia. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito de diferentes concentrações de ácido tetracloroaurico (HAuCl4) para incorporação de nanopartículas de ouro (NPs Au) na produção de H2, a partir de filmes finos suportados em celulose bacteriana (CB), produzidos através da técnica camada por camada utilizando os polieletrólitos fracos, hidrocloreto de polialilamina (PAH) e poli(ácido acrílico) (PAA), combinados com dióxido de titânio (TiO2). Por meio das técnicas de espectroscopia de absorção molecular na região do ultravioleta e visível (UV-Vis), difração de raios X (DRX), microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de infravermelho foi possível verificar a absorção da CB na região do UV, os picos em 14,6º, 16,6º e 22,6º, a superfície constituída de fibras e as bandas características da CB, respectivamente. A área superficial específica de 1,57 m2 g-1 foi encontrada para a CB. A absorção na região do UV das soluções de HAuCl4 e TiO2 foram determinadas por UV-Vis. Através da técnica de DRX, calculou-se o tamanho médio do cristalito do TiO2 que foi de ~5 nm corroborando com a microscopia eletrônica de transmissão (MET). O TiO2 também foi caracterizado por fluorescência molecular, MEV e área superficial específica. O potencial zeta foi utilizado para analisar as soluções poliméricas (PAH e PAA) e a solução de TiO2. Os filmes de diferentes concentrações de HAuCl4 (1,25 mmol L-1, 2,5 mmol L-1 e 5 mmol L-1) e com diferentes tempos de luz UV (6h, 12h, 24h, 24h, 48h e 96h) foram analisados por cromatografia gasosa (CG). Destes filmes, os que mais produziram H2 em cada concentração de HAuCl4 (c1-24 / concentração de 1,25 mmol L-1 e 24h de luz UV), (c2- 6 / concentração de 2,5 mmol L-1 e 6h de luz UV) e (c3-24 / concentração de 5 mmol L-1 e 24h de luz UV), foram caracterizados antes e depois da fotocatálise. Através do UV-Vis, foi possível observar a presença de NPs Au e TiO2 nos filmes. Por DRX, notou-se os picos da CB, do TiO2 (25,3º) e do Au (38,18º e 44,5º) nos filmes. No MEV foi possível observar que o filme (c1-24) possuia grãos de Au dispersos na matriz e a presença de Ti em toda a superfície sem aglomerações, revelando-se como um filme homogêneo comparado aos filmes (c2-6) e (c3-24). Pela técnica de MET, analisou-se a morfologia, tamanho e distribuição das NPs Au nos filmes revelando valores em escala manométrica. O filme (c1-24) apresentou menores tamanhos de NPs Au (9 nm). Área superficial específica, perfilometria, Espectroscopia de Emissão Óptica de Descarga Luminescente e Espectrometria de emissão óptica com plasma também foram analisados para avaliar o efeito das concentrações e tamanhos de NPs Au nos filmes. O filme com menor concentração de HAuCl4 (c1-24), o qual tinha NPs Au menores que em maior contato com a superfície do TiO2 produziu mais H2, foi analisado por CG para aperfeiçoar o melhor desempenho na produção de H2 variando alguns parâmetros como reutilização do filme (c1-24a) e (c1-24b), alteração de substrato (c1-24d), aumento de camadas (c1-24f) e filme sem polímeros (c1-24g). Analisando todas as variações dos parâmetros foi concluído que o filme (c1-24) produziu 29,12 μmol h-1cm2 de H2 apresentando uma melhor atividade fotocatalítica.
Avaliação mecânica e tribológica de compósitos alumina-nióbio obtidos via sinterização por plasma pulsado
(2017-04-10) Bandeira, Aline Luísa; Farias, Maria Cristina More; Machado, Izabel Fernanda; Bergmann, Carlos Pérez; Catafesta, Jadna; Costa, Carlos Alberto
This work presents a study of the mechanical and tribological properties of niobium-reinforced alumina composites obtained by the spark plasma sintering (SPS) technique. Alumina and niobium powders were characterized regarding the size distribution and morphology of particles by laser diffraction and scanning electron microscopy, respectively. These particulates materials were mixed and simultaneously pressed and sintered by SPS with a uniaxial pressure of 50 MPa at 1400oC. The microstructure and crystalline phases of sintered materials were determined by scanning electron microscopy and X-ray diffraction, respectively. Mechanical properties of the samples related to the stiffness, hardness and fracture toughness were determined by means of the instrumented indentation test and the Vickers indention test. For the tribological study of the ceramic materials, sliding wear tests were performed using the experimental design statistics technique. A factorial design at two levels was used in order to evaluate the main and the interaction effects of three factors – Nb concentration, normal load and counterbody – on friction and wear responses. Empirical relationships between the responses and the interest factors were obtained by means of the factorial design at three levels. Sliding wear tests were conducted in dry environment at room temperature using a ball-on-disc configuration, three levels of normal load (5 N, 10 N and 15 N), ceramic disks with three compositions (alumina, alumina-15%Nb e alumina-25%Nb), metallic (AISI 52100 steel) and ceramic (Al2O3) balls as well. The tribological behavior of the materials was evaluated with regard to friction coefficient, wear coefficient and wear mechanisms. The results showed that composites exhibited an increase in mechanical resistance because they had higher fracture toughness values than the monolithic alumina. In addition, the brittleness index that correlates the stiffness, hardness and the fracture toughness was lower for the composite with a higher niobium content. Statistical results indicated that the main and interactions effects involving niobium concentration and counterbody were significant. The friction coeficiente for the composites was slightly lower for the steel counterbody. When sliding against the steel counterbody composites exhibited a wear resistance two orders of magnitude higher than that of the monolithic alumina and specific wear coefficient values characteristic of the mild wear regime. The higher wear resistance of composites was related to the tribofilm formation over worn surfaces, due to material transfer from the counterbody. Monolithic alumina showed a higher wear in relation to the composites, due to brittle fracture, mostly when sliding against the Al2O3 counterbody at higher loads. The good strength of matrix/reinforce interface contributed to increase the fracture toughness of composites, as well as to prevent the pull out of niobium particles from alumina matrix and to increase the sliding wear resistance of alumina – niobium composites.
Estudo da ação bactericida em regiões próximas à superfície de titânio e AISI 304 pela incorporação de prata
(2017-03-10) Soares, Tatiana Pacheco; Aguzzoli, Cesar; Vasconcellos, Marcos Antonio Zen; Fiorio, Rudinei; Crespo, Janaina da Silva; Catafesta, Jadna
A contaminação por biofilmes bacterianos tem um forte impacto negativo, especialmente quando aderidos na superfície de próteses, implantes, pinos e outros dispositivos médico-cirúrgicos. Neste trabalho foram produzidas amostras metálicas de titânio e AISI 304 com íons Ag+ implantados por IPD a diferentes energias: 2 e 4 keV; e com diferentes tempos de implantação: 30, 45, 60 e 90 min visando a obtenção de superfícies com propriedades bactericidas. A profundidade e o perfil de distribuição dos íons implantados foram estimados por simulação de Monte Carlo utilizando o software SRIM 2008, juntamente com a determinação da concentração de prata incorporada nas amostras por técnicas espectroscópicas. A atividade bactericida das amostras de titânio com diferentes concentrações de prata foi avaliada por meio do tratamento de um efluente industrial líquido, que foi submetido à contagem de Escherichia coli antes e depois do contato do efluente com as amostras. O ângulo de contato foi medido para avaliação da molhabilidade das amostras de titânio que apresentaram as maiores concentrações de prata, fator determinante na adesão de bactérias e células humanas. A citotoxidade foi avaliada através de teste de viabilidade celular e análise morfológica. Obteve-se uma redução de 27% de E.coli no efluente industrial tratado com a amostra implantada a 4 keV por 45 min, com concentração inicial de 3,35 × 1015 átomos cm-2.Não foi detectado efeito tóxico da prata para células humanas MG63, mesmo considerando as maiores concentrações prata, uma vez que não houve redução na adesão e proliferação celular em relação ao titânio não tratado. Para as amostras de AISI 304, os ensaios de adesão microbiana foram realizados para as bactérias Listeria monocytogenes e Salmonella Enteritidis, resultando em uma redução de 65,9 e 69,8%, respectivamente. Por fim, os resultados mostraram que o tratamento estudado para obtenção de materiais metálicos com ação bactericida é promissor para aplicações na área médica, no entanto é necessário uma avaliação em longo prazo para garantir a segurança de sua utilização.
Metodologia para a determinação das propriedades mecânicas de compósitos de poliamida 6.6 reforçados por fibras de vidro longas através da simulação de injeção
(2017-09-15) Teixeira, Daniel; Crespo, Janaina da Silva; Amico, Sandro Campos; Fiorio, Rudinei; Martinotto, André Luis; Bianchi, Otávio; Piazza, Diego; Polleto, Matheus
A utilização de compósitos termoplásticos reforçados por fibras longas tem crescido consideravelmente nos últimos anos. No entanto, as propriedades mecânicas desses materiais são fortemente dependentes de sua microestrutura (orientação e comprimento das fibras) e, consequentemente, das condições de processamento do material. No caso específico da moldagem por injeção, as elevadas taxas de cisalhamento provocam simultaneamente uma redução no comprimento das fibras e a orientação das mesmas no sentido do fluxo, tornando muito difícil a previsão das propriedades mecânicas desse compósito. Dentro desse contexto, o objetivo do presente trabalho é apresentar uma metodologia para calcular a resistência à tração de compósitos termoplásticos baseado somente na sua microestrutura virtual estimada pelo processo de simulação de injeção. A base da metodologia proposta é o modelo de Kelly e Tyson para o cálculo da resistência à tração de compósitos reforçados por fibras descontínuas, o qual foi modificado para utilizar uma distribuição de probabilidade que represente os comprimentos das fibras, além de utilizar elementos do tensor de orientação das mesmas. O método proposto também inclui uma sistemática indireta para determinar a resistência interfacial entre as fibras e a matriz e também a tensão de ruptura das fibras. A metodologia proposta foi avaliada no compósito de poliamida 6.6 reforçado por fibras de vidro longas (50% em massa), o qual teve a sua microestrutura simulada com o auxílio do software Moldflow, utilizando os modelos RSC e ARD-RSC para estimar a orientação das fibras, além do modelo de Phelps e colaboradores para determinar a quebra das fibras durante a moldagem por injeção. As propriedades mecânicas do compósito estudado, tais como resistência à tração e à flexão, determinadas experimentalmente foram comparadas com os resultados teóricos previstos pela metodologia apresentada. Por fim, o modelo proposto nesse trabalho foi utilizado para prever a resistência mecânica de um componente estrutural automotivo (suporte do balaústre), e esse resultado foi comparado com os dados experimentais dos ensaios mecânicos realizados nesse mesmo componente. As diferenças entre os resultados apresentados pela metodologia de cálculo proposta e os resultados experimentais ficaram abaixo de 15%. Comparado com um suporte de balaústre fabricado da forma tradicional, com alma metálica, o suporte moldado em compósito TRFL apresentou uma redução de massa de 30%. [resumo fornecido pelo autor]
Processamento de coloidal de α-Al₂O₃ e a seletividade superficial na adsorção específica de taninos.
(2017-12-19) Webber, Jaíne; Cruz, Robinson Carlos Dudley; Takimi, Antonio Shigueaki; Emiliano, José Vitório; Giovanella, Marcelo; Bianchi, Otávio
As interações superficiais dominam as propriedades de suspensões de partículas coloidais. O equilíbrio entre a superfície, o solvente e as espécies ativas em solução determina as propriedades relacionadas à reatividade e às interações na interface sólido-líquido. O tanino é um composto extraído da casca de acácia e que pode ser utilizado como estabilizante e dispersante em suspensões cerâmicas coloidais de alumina. O controle das propriedades superficiais da alumina e dos mecanismos que governam sua interação com o tanino é fundamental para ajustar seus efeitos no processamento coloidal. Torna-se necessário garantir uma superfície isenta de contaminantes para avaliar o efeito e a contribuição de cada um dos materiais em suspensão. Neste trabalho foi investigada a adsorção de tanino hidrolisável (TH), condensado (TC) e sulfonado (TS) em partículas de α-Al2O3 dialisadas. A correlação entre os resultados obtidos na caracterização da α-Al2O3 indica que coexistem sítios superficiais AlVI-μ¹-OH, AlVI-μ²-OH e AlVI-μ³-OH; adicionalmente, um sítio AlIV-μ¹-OH deve ser considerado. O estado de protonação de cada sítio é controlado pelas condições do meio, essencialmente pelo pH, revelando que a superfície das partículas de α-Al2O3 é heterogênea. A contribuição dos taninos em suspensão foi definida principalmente pelo pH do meio, uma vez que esta propriedade define o estado de protonação dos grupos polares nas moléculas. A adsorção máxima de TH e TC em α-Al2O3 (9,72 m²/g) foi 12,47 e 14,60 mg/g, respectivamente. O TS adquire uma elevada carga elétrica negativa, o que limita a quantidade adsorvida a 7,34 mg/g, principalmente devido à barreira eletrostática que é formada pela sua adsorção. Essa barreira eletrostática proporciona estabilidade de até -65 mV às suspensões quando a superfície está completamente recoberta, conferindo dispersão robusta às partículas (dH=300 nm), a qual não é afetada pelo aumento da força iônica do meio. A estabilidade inicial das suspensões de α-Al2O3 (+60 mV) foi reduzida progressivamente tanto com o aumento da adsorção de TH e TC quanto da força iônica do meio; para suspensões com potencial zeta entre -25 mV e +25 mV, aglomerados de 400 a 700 nm foram formados. A adsorção de TH, TC e TS ocorre predominantemente por ligações de hidrogênio entre os grupos fenólicos nos taninos e os sítios AlVI-μ²-OH na α-Al2O3, i.e., por adsorção específica. Para condições onde o TS recobre parcialmente a superfície da α-Al2O3, é sugerido que a adsorção ocorra por interações eletrostáticas entre os grupos SO3H e os sítios positivos da α-Al2O3, i.e., por adsorção não específica.
Filmes de PAH/PAA com nanopartículas metálicas para a desinfecção de efluentes industriais
(2017-11-22) Eltz, Fabiana Zarpelon; Giovanela, Marcelo; Soldi, Valdir; Villetti, Marcos Antonio; Aguzzoli, Cesar; Silva, Thiago Barcellos da
O fornecimento e o acesso à água potável é um dos grandes desafios deste século. Nesta perspectiva, o rápido avanço da Nanotecnologia tem contribuído significativamente para o desenvolvimento e a produção de nanomateriais, objetivando melhorar o desempenho e a eficiência dos processos de descontaminação da água. Desse modo, o presente trabalho teve por objetivo preparar e caracterizar filmes automontados de poli(hidrocloreto de alilamina) (PAH) e poli(ácido acrílico) (PAA) contendo nanopartículas de prata (AgNPs) e de cobre (CuNPs), visando sua posterior aplicação no tratamento terciário de efluentes industriais para reuso. As AgNPs e CuNPs foram sintetizadas por meio da (i) redução de sais de prata e de cobre (II) em meio aquoso, com posterior incorporação das mesmas nos filmes finos de PAH/PAA, e (ii) pela irradiação direta dos filmes finos de PAH/PAA com luz ultravioleta (UV), após a imersão dos mesmos em soluções salinas de prata e cobre (II). Após a automontagem, os filmes foram caracterizados por meio de diferentes técnicas instrumentais, incluindo a espectroscopia de absorção molecular na região do ultravioleta e visível (UV-Vis), a espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente (GD-OES), a microscopia de força atômica (AFM), a microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo (MEV-FEG), a espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS), a espectrometria de emissão óptica com plasma de argônio indutivamente acoplado (ICP-OES) e a microscopia eletrônica de transmissão (MET). De maneira geral, os espectros de UV-Vis e GD-OES comprovaram a incorporação/formação de AgNPs e de CuNPs/óxido de cobre (II) nos filmes finos desse trabalho. Os testes realizados com o efluente industrial evidenciaram que todos os filmes desenvolvidos apresentaram atividade bactericida frente a coliformes totais, com variação de 14 a 100% em termos de inibição. Os filmes contendo AgNPs, por sua vez, apresentaram atividade bactericida 5% superior, quando comparados aos filmes contendo CuNPs. Além disso, os filmes preparados a partir da irradiação direta com luz UV apresentaram a maior eficiência inibitória (superior a 90%) e, dessa forma, foram avaliados em função da variação da concentração do sal precursor. De maneira geral, observou-se através da caracterização por MEV-FEG e MET que a alteração na concentração do sal promoveu uma variação em termos de tamanho das nanopartículas incorporadas aos filmes (10-250 nm para as AgNPs e 10-170 nm para as CuNPs). O tratamento do efluente industrial para reuso com os filmes obtidos pelo método (ii), por sua vez, reduziu de 91 a 100% a contagem total de coliformes presentes no efluente industrial bruto (sem tratamento), sendo que o filme obtido na concentração 0,1098 mmol/L de Ag+ foi o material com maior eficácia. Finalmente, considerando-se a facilidade de aplicação, o baixo impacto ambiental, e a ação inibidora satisfatória, os filmes desenvolvidos neste trabalho apresentam um grande potencial para serem utilizados como auxiliares no tratamento terciário de efluentes industriais.
Desenvolvimento de uma formulação elastomérica de EPDM para aplicação em temperaturas elevadas.
(2017-12-01) Hermenegildo, Gislaine; Carli, Larissa Nardini; Mauler, Raquel Santos; Rocha, Tatiana Loiuse Avila de Campos; Andrade, Mara Zeni
O objetivo deste trabalho foi a obtenção de uma formulação elastomérica à base de EPDM para aplicação em temperaturas elevadas. A influência de características como o teor de eteno, propeno, dieno e a viscosidade Mooney, a utilização de aditivos estabilizantes e diferentes sistemas de cura, e a variação do teor de carga e plastificante sobre a morfologia e propriedades físico-mecânicas e dinâmicas das formulações foram avaliadas. Partindo de uma formulação padrão para aplicação em temperaturas elevadas, a utilização de um elastômero de maior viscosidade Mooney apresentou melhores propriedades de torque mínimo, torque máximo, tensão na ruptura e deformação permanente à compressão. As formulações preparadas com aditivos estabilizantes não apresentaram melhoria na resistência ao envelhecimento térmico com base na avaliação da deformação permanente à compressão realizada a 70 °C e 120 °C. Comparando os sistemas de cura, a formulação curada através do sistema eficiente foi a que apresentou uma melhor combinação de resultados, inclusive de resistência ao envelhecimento térmico, em comparação às demais composições curadas através do sistema semi-eficiente ou por peróxido. O aprimoramento das propriedades foi em função de um maior predomínio de ligações cruzadas monossulfídicas que são termicamente mais estáveis do que as dissulfídicas e polissulfídicas. Por fim, a formulação com teores reduzidos de carga e plastificante apresentou melhor balanço de propriedades, com aumento na retenção de propriedades com o envelhecimento térmico e menor deformação permanente à compressão, sendo estas as principais características de interesse para a aplicação proposta.
Diferentes dopagens e intercamadas contendo silício: otimização da adesão de revestimentos de a-C:H sobre aço
(2018-07-24) Tomiello, Stevan Scussel; Figueroa, Carlos Alejandro; Alvarez, Fernando; Gasparin, Alexandre Luis; Wanke, César Henrique; Aguzzoli, Cesar
O carbono tipo diamante (DLC) é um material de revestimento que alia alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito. Devido a essas propriedades, o DLC pode ser aplicado em peças metálicas para facilitar a conformação em ferramentas de dobra e ainda para a diminuição de perdas por atrito em componentes de motores. Porém, limitações como a baixa adesão e a complexidade da técnica de deposição restringem sua utilização. Diversas estudos propõem alternativas para a otimização do filme, como a inclusão de intercamadas, dopagens ou a aplicação de diferentes parâmetros e processos de deposição, porém não há um consenso na bibliografia de qual opção ou combinação traz o melhor resultado, especialmente visando uma aplicação industrial de baixo custo. Nesse contexto, a proposta deste trabalho é realizar um estudo sistemático de diferentes arquiteturas filme/intercamada utilizando um composto a base de silício para a formação da intercamada e da zona de dopagem e, após encontrar a melhor combinação em termos de adesão, pesquisar o efeito da tensão nessa combinação específica. A técnica de deposição química a vapor assistida por plasma pulsado utilizando confinamento eletrostático foi utilizada para aplicar o revestimento e as diferentes arquiteturas sobre o aço AISI O1 e AISI 4140. As dopagens e intercamadas foram produzidas a partir de hexametildisiloxano, previamente vaporizado, que permite a formação do filme e das diferentes arquiteturas num processo único e simples. A qualidade superficial dos filmes foi avaliada por microscopia ótica, enquanto a estrutura físico-química foi analisada por microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente. Por fim, as propriedades mecânicas e tribológicas do filme foram avaliadas por medições de nanodureza e por testes de nanoesclerometria linear, respectivamente. Os resultados mostram que as diferentes arquiteturas de dopagem do DLC com silício promovem uma piora nas propriedades do filme, com o aumento nos defeitos superficiais e a diminuição da dureza e da carga crítica para sua delaminação. A combinação de DLC e uma única intercamada contendo silício apresenta-se como a melhor opção para aplicações tribológicas. Por outro lado, uma maior tensão elétrica no plasma de formação da intercamada de silício aumenta a carga crítica de delaminação e minimiza os defeitos nas bordas das amostras. O conhecimento gerado viabilizou a obtenção de um revestimento para aplicações industriais em grande escala e baixo custo de produção.
Interações de van der Waals na superlubricidade de filmes nanoestruturados e hidrogenado
(2018-12-12) Echeverrigaray, Fernando Graniero; Figueroa, Carlos Alejandro; Gonçalves, Sebastián; Burgo, Thiago A. L.; Perottoni, Cláudio Antônio; Farias, Maria Cristina More
O atrito é originado por eventos de dissipação de energia devido ao trabalho realizado de forças não conservativas. Os mecanismos nanotribológicos por meio dos quais a dissipação pode ocorrer englobam deformação molecular e efeitos fonônicos, elétricos (eletrônicos e eletrostáticos) e magnéticos. Apesar de sua importância fundamental, esses mecanismos físico-químicos que governam o atrito são pouco compreendidos. Embora a literatura forneça uma riqueza de informações sobre a eficiência energética no estado de baixo atrito, também denominado de superlubricidade estrutural, algumas previsões associadas só puderam ser confirmadas quantitativamente em poucos sistemas sob condições específicas. Sistemas nanoestruturados à base de carbono, tais como filmes finos de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H), possuem uma combinação única de propriedades com potencial tecnológico-industrial para aplicações na área de mecânica e eletromecânica. Nesta tese, busca-se entender o papel das interações elétricas e dos mecanismos envolvidos no atrito desses filmes nanoestruturados. Relata-se que o potencial elétrico e o sinal de atrito em nanoescala que surgem na interface de contato são proporcionais aos teores de hidrogênio das camadas superficiais de a-C:H no regime sem desgaste. As flutuações eletrodinâmicas constatadas no sinal de atrito com diferentes conteúdos de [H]/[C] por nanoindentação seguida de deslizamento unidirecional (NUS) e microscopia de força lateral ou de atrito (LFM/FFM) dependem da deformação molecular e da polarizabilidade atômica, respectivamente. Uma proporção maior de hidrogênio para carbono reduz o potencial da superfície, afetando diretamente as forças dissipativas por meio de uma interação de longo alcance menos eficaz. A superlubricidade estrutural é atribuída a uma baixa polarizabilidade na camada mais externa de a-C:H devido a uma menor densidade eletrônica, o que enfraquece as interações atômico-moleculares (forças de van der Waals), em particular as forças de dispersão de London. Do ponto de vista topológico, propõe-se a formação de nanodomínios multipolares pelo hidrogênio na superfície de a-C:H para atingir a superlubricidade. A compreensão dos mecanismos de amortecimento e o controle de sistemas quase sem atrito visam auxiliar na elaboração de novas estratégias para aplicações em dispositivos micro e nanoeletromecânicos, assim como na redução de custos e impactos ambientais em escala global.