Engenharia de Materiais e Nanotecnologia - Teses - EE Higienópolis
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- TeseAplicação da tecnologia de plasma na rede de logística reversa de rejeitos radioativosGonçalves, Max Filipe Silva (2021-04-14)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
For the conservation of the environment, it is necessary to provide efficient alternatives for the disposal of solid waste and, mainly, for radioactive waste that can cause serious damage to the environment and society. Considering technical options for waste disposal, thermal plasma technology presents itself as an efficient possibility for disposal of radioactive waste. Therefore, this work aims to employ plasma technology for the proper disposal of radioactive waste, evaluating its impact on the reverse logistics network for this waste. This work includes the evaluation of the mass alteration of the materials processed in the plasma system by transferred arc, evaluation of the chemical properties of the process outputs, identification of the parameters optimized for the operation of the plasma system for disposal of the studied waste and evaluation of the effectiveness of implantation of the plasma treatment in the reverse logistics network. In addition to being supported by legislation, the reverse logistics structure is necessary to ensure environmentally correct disposal. Experiments were carried out with samples composed of various elements and isotopes such as Pb, Cs, I and Co, and after incineration, the slag from the process, and filters used in the gas outlet, were subjected to mass and SEM/EDS characterizations. Scenarios that simulated the allocation of the plasma reactor in the reverse logistics chain were also simulated considering the result of the mass reduction and it was found that it is feasible to allocate it in the sorting site and the logistical cost is high. With this work, it was possible to conclude before the established parameters, that the use of this technology is technically feasible, since there was a mass reduction of more than 50% of the samples used and the study also allowed the understanding of the behavior of the isotopes. It is recommended to advance in future studies addressing samples with different compositions, using other isotopes and new experimental conditions, seeking to know the behavior of the isotopes through other characterizations. It is also suggested to evaluate the energy efficiency of the system, studying whether there is effectiveness in the use of plasma technology given its energy consumption. - TeseAplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadasAquino, Caroline Brambilla de (2024-08-26)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
A crescente demanda por processos eficientes na separação óleo-água em indústrias, como a petrolífera e a de tratamento de efluentes, evidencia a necessidade de desenvolver membranas com desempenho superior. Os principais obstáculos a serem superados são a incrustação (fouling), que reduz a eficiência e a durabilidade das membranas, e a dificuldade de equilibrar seletividade e permeabilidade. Este trabalho aborda o desenvolvimento de membranas nanoestruturadas utilizando materiais lamelares inorgânicos para a separação de misturas óleo-água. O principal objetivo na aplicação desses materiais foi encontrar a melhor condição para tratamento de água produzida, superando os desafios de incrustação. A água produzida, é composta por uma mistura de água que está presente no reservatório junto com o petróleo ou gás) e, em alguns casos, para ajudar a aumentar a pressão do reservatório e facilitar a produção. As membranas poliméricas comerciais apresentam 95% de efetividade na retenção de contaminantes; porém, não são uma solução para os efeitos de entupimento em sistemas de filtração, ocasionado pelas espécies orgânicas. A modificação dessas membranas com argilas minerais bidimensionais é uma estratégia para modular as propriedades das membranas, orientar as camadas, controlar a espessura, reter íons e moléculas menores, funcionalizar e promover maior seletividade. As argilas: Vermiculita (VMT), Montmorilonita (MMT) e Talco foram selecionadas para modificar a superfície de membranas comerciais. Como elas apresentam diferentes propriedades, tais como carga e caráter hidrofílico, foi possível identificar quais características são essenciais para melhorar a eficiência desses sistemas. Para isso diferentes métodos de esfoliação foram utilizados: esfoliação direta, esfoliação assistida por intercalação e esfoliação assistida por troca iônica. As análises para determinação do potencial zeta permitiram acompanhar as mudanças na carga das estruturas em função do íon intercalante, e as técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM) revelaram o sucesso da esfoliação. As suspensões das argilas esfoliadas foram utilizadas para a modificação da superfície da membrana de poliamida (PA) por meio do processo de filtração a vácuo. As membranas foram caracterizadas por difratometria de raios-X e por medidas do ângulo de contato em função do método de gota séssil. Os resultados obtidos permitiram identificar as propriedades de molhabilidade e hidrofilicidade das Aplicação de Materiais Lamelares Inorgânicos no Desenvolvimento de Membranas Nanoestruturadas 12 membranas produzidas. Cada uma das argilas modificou as propriedades de superfície da membrana PA de uma forma diferente, alterando sua característica hidrofílica para superhidrofílica ou hidrofóbica, dependendo do mineral. A atuação das membranas modificadas em um processo de separação óleo-água foi avaliada por meio de sistemas de filtração tangencial e axial, ambos em baixa pressão. As membranas tratadas foram eficientes na separação de uma emulsão tolueno-água, resultando em valores de rejeição da espécie oleosa superiores a 99%, com destaque para a membrana de VMT, que também apresentou uma excelente propriedade anti incrustante após 42 horas de fluxo no sistema de filtração. A permeabilidade da membrana nanoestruturada se mostrou estável ao longo desse período, mantendo sua capacidade de rejeição próxima a 100%, enquanto a membrana comercial mostrou efeitos de entupimento em oito horas de processo e redução na rejeição de contaminantes. Nesse contexto, o estudo mostrou que as argilas minerais possuem potencial significativo para modulação de propriedades de superfícies das membranas, tornando-as atraentes para resolver desafios em processos de separação óleo-água. - TeseAvaliação de métodos de mistura na obtenção de compósitos à base alumínio reforçados com grafeno e óxido de grafenoGonçalves, Rodolfo Luiz Prazeres (2023-07-31)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Materiais leves e com elevada resistência mecânica apresentam demasiada demanda em diversas áreas da indústria, especialmente nos setores automotivo e aeronáutico. Devido à sua baixa densidade, versatilidade e custo-benefício, o alumínio tem sido uma das principais matrizes metálicas para a fabricação de compósitos com os mais variados tipos de reforços, sendo o Al2O3 e o SiC os mais comuns. O grafeno, por apresentar propriedades mecânicas tão extraordinárias, tem se tornado um excelente candidato como reforço em compósitos metálicos. Assim, extensas pesquisas relacionadas a compósitos de matriz metálica reforçados com grafeno, óxido de grafeno e óxido de grafeno reduzido têm sido realizadas, visando materiais com propriedades superiores e baixo custo de fabricação. O presente trabalho teve como objetivo geral avaliar métodos de mistura na produção de compósitos de matriz de alumínio reforçados com grafeno ou óxido de grafeno, utilizando técnicas de metalurgia do pó, com posterior caraterização utilizando microscopia eletrônica de varredura, difração de raios X, espectroscopia Raman e avaliação da microdureza. Como principais resultados, foi possível observar que, na caracterização das matérias primas, o Gr fornecido estava na forma de rGO e as misturas das matérias primas em água promoveram compósitos frágeis devido a reação de hidrólise do alumínio com água. Na produção do compósito em acetona, o GO foi reduzido à rGO durante o processamento, como revelado pelas análises de difração de Raios X, além da formação de Al4C3. Dentre os compósitos produzidos, o que mais se destacou foi o processado com rGO como recebido, Al/0,3% rGO (em massa), conduzido com mistura por agitação mecânica, apresentando um aumento na microdureza de 60% em relação ao alumínio puro. - TeseAvaliação de tensões residuais em superfícies planas de aços molas submetidas ao processo de stress shot peeningChiqueti, Cleber Michel (2024-08-08)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
As tensões residuais compressivas são fundamentais para o aumento da vida do produto, este trabalho tem o objetivo de determinar as tensões residuais compressivas longitudinalmente, ao longo de uma superfície, com três níveis de deflexões das extremidades que ocasionam pré-tensões trativas nas fibras superficiais, de 750,0 MPa, de 1100,0 MPa e de 1500,0 MPa, suportadas em duas diferentes posições de apoios no lado de compressão, de 150,0 mm e de 1000,0 mm, equidistantes do centro longitudinalmente. O aço utilizado foi EN 47 (DIN 51CrV4), com dimensões de 15,0 mm de espessura, 70,0 mm de largura e 1500,0 mm de comprimento, cujas amostras foram submetidas aos processos de têmpera, revenimento, polimento da superfície e alívio de tensão. As amostras foram arqueadas, com raio de 2500 mm e imersas em um tanque com óleo de composto mineral e convencional e, em seguida, revenidas; as superfícies côncavas foram polidas para a remoção da descarbonetação e colocadas em um forno para o alívio de tensões causadas pelo processo de lixamento superficial. Na sequência, as amostras foram jateadas, em uma máquina com parâmetros controlados, com as três pré-tensões de 750,0 MPa, de 1100,0 MPa e de 1500 MPa, determinadas pelo software específico ANSYS®, e com os espaçamentos dos dois suportes de 150,0 mm e de 1000,0 mm, para introdução de tensões residuais compressivas nas superfícies polidas, sendo este processo denominado de stress shot peening. Corpos de prova foram extraídos para realização de ensaio de tração para análise metalográfica e determinação de dureza. As tensões residuais foram determinadas por difração de raios X, a partir das superfícies das amostras longitudinalmente, uniaxialmente e em profundidade, com remoção controlada de material, possibilitando levantar o perfil de tensões residuais a partir da superfície, e de criar o gráfico das tensões residuais versus pré-tensão. As amostras foram submetidas ao teste de fadiga cíclico, para verificação da influência das tensões residuais compressivas desenvolvidas a partir das três deflexões. Para os testes de fadiga, as amostras foram grampeadas nos centros, cujas superfícies jateadas ficaram voltadas para baixo. Os pontos de apoios dos testes de fadigas foram apoiados nas extremidades e os movimentos cíclicos ocorreram no centro longitudinal das amostras até a sua ruptura. Todos as rupturas de fadigas quebraram nos pontos de apoios das placas que fixam as amostras, ou seja, as amostras colapsaram no ponto de maior tensão que foram mostradas no método de elementos finitos, pelo software ANSYS®. Os resultados de fadigas mostraram coerências, de acordo com as deflexões realizadas. Os melhores resultados, com maior número de ciclos, foram com as pré tensões de 1500,0 MPa, diminuindo conforme as pré-tensões diminuíram também. As amostras com rupturas foram submetidas à microscopia eletrônica por varredura e mostraram uma morfologia de ruptura intergranular por tensão aplicada. As medições das tensões residuais próximas e distantes das rupturas mostraram o relaxamento das tensões residuais, quando mensuradas próximas das rupturas. - TeseAvaliação do uso de substratos à base de grafeno na produção de células solares de terceira geração sensibilizadas por coranteOliveira, Andressa de Aguiar (2022-04-18)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O aprimoramento técnico e o avanço nos conhecimentos sobre a geração de energia elétrica por células solares sensibilizadas com corante (do inglês, dye sensitized solar cells ou DSSC) é uma tarefa fundamental para atender às demandas regulares e crescentes de energia. Neste sentido, dispositivos promissores de conversão da luz solar em energia elétrica com alta densidade, elevadas taxas de carga/descarga e alto desempenho ao longo do ciclo de vida, têm recebido forte atenção da comunidade técnico-científica visando desenvolver dispositivos inovadores, de baixo custo e escalável técnico, econômico e comercialmente. O grafeno é um nanomaterial 2D da família do carbono que vem revolucionando a ciência dos materiais devido suas propriedades elétricas, mecânicas e ópticas, comprovando ser um ótimo material para ser usado em dispositivos de conversão de energia e aplicações de armazenamento, como, por exemplo, células de combustível, células solares e supercapacitores. Atentos a estas propriedades e características aditivas de performance e aplicabilidade, nos últimos anos, diversos cientistas e pesquisadores avaliaram a utilização do grafeno e seus derivados, compostos feitos de nanopartículas de óxidos/hidróxidos de metais de transição e polímeros condutores e não condutores, como eletrodos para aumentar a capacitância de vários tipos de células solares. Neste trabalho estudou-se o desenvolvimento de nanocompósitos à base de dióxido de titânio, grafeno e óxido de grafeno (G/TiO2 e GO/TiO2) para a produção de células solares de terceira geração sensibilizadas por corante. Os materiais foram adquiridos e/ou obtidos e posteriormente avaliados separadamente. A análise de resistência elétrica dos compósitos constatou que o grafeno era mais indicado para continuação dos estudos por apresentar resistência de folha menor. O nanocompósito à base de G/TiO2 passou por tratamento térmico e análises mais elaboradas, permitindo associar as diferentes características e propriedades a fim de observar o desempenho fotocatalítico do nanomaterial. Os resultados apresentados para o grafeno comercial são inéditos no que diz respeito à largura do band gap: menor band gap se comparado com outras DSSC à base de TiO2 relatadas na literatura, indicando uma menor taxa de recombinação entre portadores de carga, com uma alta mobilidade de elétrons, evidenciando uma maior absorção da luz solar. Desta forma, através das análises de XRD, MEV e Raman o nanocompósito à base de G/TiO2 foi caracterizado de tal maneira que os resultados sugerem uma viabilidade do seu uso como material para a produção de células solares de terceira geração sensibilizadas por corante com potencial de melhoria efetiva na conversão de energia solar em elétrica. - DissertaçãoCaracterização dos vidros metálicos CuZrAl e CuZrAlErLustosa, Cicero Junior Rodrigues (2018-12-11)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Vidros metálicos têm atraído o interesse de muitas pesquisas desde sua primeira fabricação, e tem se mostrado promissores para a ciência e a engenharia. Esse tipo de material apresenta propriedades superiores comparado a ligas policristalinas com composição semelhante, com alta resistência específica e elevada dureza. Com estrutura ordenada em pequenas distâncias, apresentando relação de primeira vizinhança, e o estado metaestável fornecem propriedade estrutural incomum e mecanismos de deformação não convencionais. Entretanto, o entendimento físico de sua estrutura amorfa e como ela afeta as propriedades dos vidros metálicos ainda é considerado um grande desafio na física da matéria condensada e ciência dos materiais. Nesse trabalho, foram realizadas caracterização morfológica, térmica e mecânica de dois tipos de amostras de vidros metálicos de grande volume com as composições Cu47,5Zr45,5Al5Er2 e Cu47,75Zr47,75Al4,5. As técnicas utilizadas foram: difração de raios X (DRX), microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia por dispersão de raios X, ensaio de ultramicrodureza, calorimetria de diferencial de varredura e análise dinâmico-mecânica (DMA). Além disso, três modos de operação da microscopia de varredura por sonda foram empregados: microscopia de força atômica, mapeamento nanomecânico quantitativo e microscopia de força Kelvin. Os experimentos feitos complementaram-se mutuamente e produziram algumas informações interessantes provenientes das composições estudadas. Os resultados de DRX identificaram estruturas cristalinas somente em uma das amostras. Já as investigações morfológicas, em todas as técnicas, permitiram a comparação entre as composições. A amostra sem érbio apresentou formação de dendritas e superfície mais irregular. Através do DMA a temperatura que relaciona a temperatura de transição vítrea (Tg) com o aumento do atrito interno foi observada para as duas amostras. Além disso, a relaxação estrutural β, característica em composições vítreas de CuZrAl com 1 Hz de frequência na amplitude de oscilação foram observadas. As análises de ultramicrodureza sugerem que a amostra que possui érbio em sua constituição e apresenta menor variação dos resultados para a dureza e módulo de elasticidade. - TeseCaracterização microestrutural e interpretações genéticas de texturas em astromateriaisGonçalves, Augusto Nobre (2020-01-30)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
This work sought to contribute to the scientific knowledge on astromaterials in three ways: (i) advocating the need for uniformity in the terminologies employed with respect to the classification and interpretation of meteoric material textures, since there are some imprecise terms traditionally used in their description, causing noise in communication; (ii) proposing and describing the use of more geologically rigorous terminology, as a way to reach the advocated uniformization; and (iii) producing a micrography atlas for a systematic mineralogical and microstructural characterization of those materials according to the prescribed terminology. From the organization of the collection of samples, those which would be the most representative pieces of their taxonomic groups to go to preparation of laminas for microscopy were defined. The laminas with the selected samples were characterized by petrographic microscopy – a traditional technique for mineralogy and petrology studies that uses two light polarizing filters in its optical system to allow microstructure identification and its highlighting. The result was the creation of a photomicrography catalogue that allowed interpretation of identified textures in terms of igneous, metamorphic and sedimentary phenomena, employing the astromaterial classification terminology proposed in this thesis. Part of the micrography atlas was used in a project of culture and extension that will become a themed artistic-scientific exposition for scientific propagation and popularization of the importance of studying meteoritic materials. - TeseCaracterização microestrutural, propriedades mecânicas e elétricas do compósito cobre/grafeno obtido por laminação acumuladaCruz, Ricardo Aparecido da (2024-02-06)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O cobre e suas ligas são materiais estruturais utilizados nas indústrias e aplicações de engenharia devido à sua excelente condutividade térmica e elétrica e estabilidade química. A integração do grafeno, conhecido por sua excepcional condutividade elétrica, na matriz de cobre é uma estratégia promissora para melhorar as propriedades mecânicas sem sacrificar a condutividade elétrica. O processo Accumulative Roll Bonding (ARB) pode introduzir grafeno de forma eficaz e homogênea na matriz metálica e é adaptável à escala industrial. Este estudo investiga o impacto de diferentes concentrações de grafeno e dois protocolos de tratamento térmico (sem atmosfera controlada) nas propriedades mecânicas e elétricas de compósitos de cobre/grafeno submetidos a ARB. A microscopia óptica revelou mínimos vazios e poucos aglomerados de grafeno, e a análise de espectroscopia de energia dispersiva revelou ausência de óxido de cobre em algumas amostras. O teste de condutividade mostrou pouca influência do teor de grafeno e da temperatura do tratamento térmico de alívio de tensões na condutividade elétrica (~86% do Padrão Internacional de Cobre Recozido) dentro de um número limitado de ciclos de ARB. Os testes de tração não revelaram uma influência significativa do teor de grafeno e da temperatura do tratamento térmico de alívio de tensões na resistência mecânica e no alongamento (~2%). Um modelo matemático para o cálculo da tensão de fluxo em função da deformação verdadeira em uma laminação plana foi deduzido e utilizado para a estimativa da tensão limite de escoamento alcançada por ARB no cobre puro (99,9%p). - TeseComportamento sob condição de fadiga da liga Ti-6Al-4V revestida com camada de SiC e intercamada de Cr depositadas por magnetron sputteringArbex, Alexandra Alvim (2023-02-15)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Este trabalho teve como objetivo estudar os efeitos do recobrimento com um filme fino de carboneto de silício (SiC) e intercamada de cromo no comportamento sob condição de fadiga da liga Ti-6Al-4V. Filmes de 400 nm e 200 nm de espessura foram depositados pela técnica de Magnetron Sputtering utilizando-se duas fontes: HiPIMS e DC. Na caracterização da camada depositada, foram determinadas a rugosidade média Ra, as espessuras das camadas e a adesão. Foram realizados ensaios de fadiga uniaxial com R=0,1 e as superfícies de fratura foram observadas por microscopia eletrônica de varredura. Os valores de resistência à fadiga apresentaram uma queda em decorrência do filme fino depositado com a utilização das duas fontes quando comparados com a liga Ti-6Al-4V sem revestimento. O revestimento com utilização da fonte DC aumentou o número de ciclos até a ruptura dos corpos de prova ensaiados em fadiga em comparação aos sem revestimento. As superfícies de fratura dos corpos de prova com revestimento utilizando a fonte DC mostraram que o início de trinca ocorreu em regiões internas dos corpos de prova e não superficialmente. A camada depositada com a utilização da fonte DC ficou aderida aos corpos de prova mesmo após os ensaios, mostrando a eficácia do filme nesses ensaios. Nos corpos de prova revestidos com a utilização da fonte HiPIMS, o número de ciclos até a ruptura diminuiu em comparação aos sem recobrimento. As trincas nos corpos de prova revestidos com a utilização da fonte HiPIMS foram superficiais em sua maioria e o filme depositado se mostrou pouco aderido após os ensaios. A camada depositada com a utilização dessa fonte se mostrou ineficaz, piorando as propriedades em fadiga. - TeseConcreto aditivado com pseudoboemita e poliacrilato de sódioPacheco, Caroline Valadão (2020-04-16)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
A pseudoboemita é um oxihidróxido hidratado de alumínio obtido a partir de precursores inorgânicos pelo processo sol-gel sendo utilizado como precursor da alumina e como reforço na obtenção de nanocompósitos. Neste trabalho foi utilizado pseudoboemita com adição de poliacrilato de sódio com a finalidade de promover um aumento no espaçamento das particulasde pseudoboemita, que tendem a se aglomerar no material. O material obtido foi adicionado ao concreto com o objetivo de melhorar a sua trabalhabilidade e a sua resistência. O novo concreto obtido foi caracterizado por meio de ensaio reológicos, mecânicos e microestruturais. Os resultados mostraram que a adição da pseudoboemita com o poliacrilato de sódio aumentou a significadamente a resistência a compressão e melhorou a trabalhabilidade do concreto. Para avaliação destas propriedades foram realizados ensaios de abatimento tronco cone, ensaio de resistência à compressão, ultrassom e caracterização do nanomaterial. Os dados de resistência a compressão mostraram uma tendência de aumento da resistência adicionado ao concreto a compressão com adição de pseudoboemita e poliacrilato de sódio. - DissertaçãoConcreto de cimento Portland com adição de pseudoboemitaEmilio, Romualdo (2019-01-24)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O cimento Portland (CP) é a principal matéria-prima para a produção do concreto armado, componente estrutural de grande prestígio por contribuir na tradução do requinte e conforto das edificações urbanas. Patenteado há pouco menos de 200 anos, o CP pode receber diversas adições com componentes que auxiliam em seu desempenho e melhoram suas propriedades aglomerantes, resistência e impermeabilidade. Este trabalho inédito apresenta a síntese em laboratório do nanomaterial pseudoboemita, em grande quantidade, onde, parte da qual foi utilizada na forma de gel úmido e outra liofilizada. O nanomaterial foi adicionado ao CP nas seguintes porcentagens em massa: 5,0% na forma gel, 2,5% e 5,0% gel liofilizado para obtenção de corpos de prova de concreto. Esses corpos-de-prova moldados com e sem adição, utilizando o mesmo traço de concreto, foram avaliados quanto ao calor de hidratação, plasticidade (slump), resistência à compressão (fck) e propagação de onda ultrassônica aos 7, 14, 21 e 28 dias. Os resultados mostram que a adição de pseudoboemita no CP que melhora as propriedades do concreto é 5,0% na forma de gel, pois no caso da adição na forma liofilizada, a água de amassamento compete entre a reação química do concreto e a reidratação da pseudoboemita, necessitando maior fator água/cimento no concreto de CP que recebe adição na forma liofilizada. - TeseConstrução de equipamento para obtenção de filamentos para impressão 3D: um estudo com copolímero ABS e microcompósitos com fibras de celuloseSanchez Junior, Miguel (2021-05-28)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
This work had as main objective to assemble a set of equipment to produce polymeric filaments for 3D printing by FDM (Fused Deposition Modeling), which is compact and easy to operate in order to have control, mainly, of the diameter of the produced filament. Two types of filaments were prepared based on the acrylonitrile-co-butadiene-co-styrene (ABS) terpolymer using the equipment assembled here: a) using granules of virgin material and b) using granules of ABS / cellulose microfiber composites. Tensile, bending and impact specimens were prepared with these two types of filaments using the FDM technique and for comparative purposes, specimens with commercial ABS filament were also produced. The electromechanical equipment proved to be suitable for the manufacture of the filaments consisting of a thermal fusion unit and pellet homogenization, electromechanical pulling of the extruded filament, digital monitoring of the extruded filament diameter and electromechanical filament winding, keeping the diameter of the same constant and around 1.75 mm. The production of cellulose microfibers was carried out by acid hydrolysis of Eucalyptus grandis wood, obtaining microfibers with crystallinity greater than 83%. ABS/ cellulose fiber microcomposites were prepared by mixing in the molten state with 0.5% by weight of fiber in a co-rotating twin screw extruder. Despite the need for a refinement of the processing variables to obtain the filaments (avoiding thermal degradation), the presence of cellulose microfiber has managed to significantly improve the tensile and banding mechanical properties of ABS. - TeseDesenvolvimento de nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e óxidos de metais de transição aplicados em sistemas de armazenamento de energiaSilva, Ederson Esteves da (2023-09-13)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Os capacitores eletroquímicos, também conhecidos como supercapacitores, são dispositivos de armazenamento de energia que utilizam dois mecanismos distintos para armazenar carga: um eletrostático e outro faradaico. Esses mecanismos estão diretamente relacionados aos materiais dos eletrodos e eletrólito desses dispositivos, e sua eficiência depende das propriedades desses materiais. Neste trabalho, sintetizamos um nanocompósito binário de óxido de manganês (MnO2) e óxido de grafeno reduzido (rGO) para aplicação em armazenamento de energia, aproveitando os efeitos de pseudocapacitância do óxido metálico e o mecanismo de dupla camada elétrica do derivado de grafeno. A síntese do nanocompósito ocorreu em uma única etapa, utilizando uma rota hidrotermal, com variação na proporção e no tempo de contato entre os precursores. Também foi avaliado o impacto da rota hidrotermal na redução do óxido de grafeno (GO). A estrutura e morfologia dos materiais foram analisadas por meio das técnicas de espectroscopia Raman e UV-Vis, DRX, TGA e MEV-EDS. As propriedades eletroquímicas foram investigadas por voltametria cíclica e espectroscopia de impedância, empregando dois eletrólitos distintos: Na2SO4 e KOH. Os resultados mostraram que GO e rGO parcialmente reduzido apresentaram capacitâncias especificas de 20 e 26 F.g-1 , respectivamente em 5 mV.s 1 . O MnO2 apresentou valores de capacitância de 18 F.g-1 em 5 mV.s-1 , sugerindo que os eletrodos formados com os materiais ativos apresentavam resistência em série e, no caso do MnO2 contaminação por K+. Por outro lado, o nanocompósito MnO2-rGO demonstrou uma capacitância calculada de 35 F.g-1 demonstrando uma pequena melhora nos efeitos capacitivos do sistema. Verificamos também, por meio de estudos cinéticos, que o crescimento das agulhas de MnO2 crescem sobre as folhas de rGO, formando estruturas semelhantes a "ouriços". O tempo de contato entre os precursores resultou em diferentes níveis de recobrimento das folhas, sugerindo que os precursores das nanoagulhas interagem com as folhas de rGO pré-autoclave. Foi observado que, com a troca de eletrólito para KOH, os valores de capacitância específica mudaram significativamente, atingindo valores de 175 F.g-1 para o menor tempo de contato (1 min) e 140 F.g-1 para o maior tempo de contato (60 min). Análises de IES demonstraram que a influência do rGO nos nanocompósitos está relacionada ao grau de recobrimento das folhas pelo MnO2. Por fim, investigamos um processo de redução química por vapor de hidrazina no nanocompósito com menor e maior tempo de contato, alcançando capacitâncias calculadas de 352 e 434 F.g-1 , respectivamente, pela conversão de rGO totalmente reduzido. - TeseDesenvolvimento de punção e matriz de alta resistência mecânica e ao desgaste para conformação de tampas twist off para industria de alimentosAugusto, Arnaldo (2024-08-30)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O foco na resistência ao desgaste neste processo de fabricação é a perda de produtividade e qualidade do produto na presença de impurezas ou desgaste natural da ferramenta. O estudo utilizou como referência a estampagem de tampas twist off de folhas de aço espessura 0,17mm com baixo teor de carbono com revestimento de cromo ou estanho para potes de vidro na indústria alimentícia. Outro fator a ser considerado no processo fabril diz respeito a reutilização do ferramental através da reafição. O aço AISI-D6 foi substituído pelo aço ferramenta temperado e revenido S790 Microclean® com revestimento duplex de PVD. Apesar do apreciável ganho em produtividade que a ferramenta de aço S790 Microclean® com revestimento duplex (nitretação+PVD de AlCrN), constatou-se grande dificuldade na reutilização dos punções, pois a reafiação obriga a se submeter a ferramenta ao mesmo tratamento, após remoção química do revestimento. Esta operação é demorada e onerosa e por este motivo se partiu para uma quebra de paradigma, estudando-se a possibilidade de utilização de outra classe de material nesta aplicação com uma resistência ao desgaste eventualmente superior, procurando correr o menor risco em termos de redução de resistência mecânica, além de considerar custo de ferramental, manutenção e tempo de set-up de máquina. Analisando cerâmicos e cerâmicos com baixa porcentagem de matriz metálica, optou-se pelo metal duro WC-Co, consagrado em várias aplicações. Estudaram-se três classes de metal duro de elevado teor de cobalto com controle de granulometria dos carbonetos de tungstênio, otimizado em termos de resistência mecânica, com teores de cobalto crescentes: GD30, GD40 e GD50. Tomando-se as características mecânica e de resistência ao desgaste do S790 Microclean® revestido (punção) determinadas em estudo anterior, resistência à compressão de 3,75 GPa, dureza HRV 1129 e a rugosidade do aço S790 com revestimento, o que mais se aproxima do último é o GD40. O desgaste do GD30 foi observado na matriz. A montagem do ferramental (punção) contou com 08 em aço S790 revestido, 02 com GD40 e 02 com GD50. O GD50 não prosseguiu nos testes por apresentar elevada concentração de porosidade. A liga GD40 apresentou bom comportamento, após 3000 horas de trabalho, sendo uma ótima possibilidade para os punções. Comparando o punção em GD40 com relação ao S790 Microclean® com revestimento duplex PVD, o mesmo produziu o triplo com um custo inferior de 42,5%. Dentro da variada oferta de classes de metal duro (WC-Co) após verificação dos dados disponíveis na indústria e alguns testes mecânicos optou-se pela utilização da classe GD30 como matriz e GD40 como punção. - TeseDesenvolvimento de uma ferramenta analítica para purificação de dispersões de materiais bidimensionais (2D)Santos, Marcos Alves dos (2020-06-08)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
With the advent of graphene, in 2004 by Geim and Novoselov, this new twodimensional (2D) material and its derivatives such as graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO), have been widely studied and used in the development of several technologies, such as energy conversion and storage devices, optoelectronics, (bio) sensors, composite materials, among others. The main way to obtain GO is through the oxidation of graphite, using the Hummers method, by strong oxidizing agents. However, the GO purification process is a key parameter in the production of this 2D material. This step demands a large volume of water, energy and time. The inefficient removal of the contaminants (residual species from the synthesis process, such as ions and metal oxides) present in GO may affect GO properties and turn unfeasible some applications, as in the biological field. In this sense, this thesis demonstrates the development of a new purification device, which involves a continuous flow system, coupled to a diffusion cell, with a microporous nitrocellulose membrane. The contaminant removal process is led by a concentration gradient. The purification system developed in this work had its efficiency compared to traditional purification methods, such as dialysis and centrifugation. It was also evaluated how the contaminants impurities and the purification processes can impact the structural, morphological and electrochemical behavior of the GO. In addition, the contaminants impurities were quantified by pH and conductivity measurements of the GO dispersions and analyzed by ion chromatography and graphite furnace atomic absorption spectrometry. The purification device developed by this work, achieves the best performance in the removal of the major contaminants (K+(aq.), Na+(aq.), Cl-(aq.), SO42-(aq.), Mn2+(aq.) and MnO2(s)), demanding ~95% less water than dialysis and in a shorter time (~23 h). The system operates in flow, with a minimum handling of the operator and allows to preserve and select the GO sheets by the pore size of the membrane used. This work represents a simple and fast alternative to purification of GO dispersion that can be easily scaled-up and applied in the purification of other dispersions of 2D materials. - TeseDissulfeto de Molibdênio (MoS2) bidimensional como carga para matrizes poliméricasRodriguez, Camila Laura Celis (2020-01-31)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O dissulfeto de molibdênio (MoS2) tem despertado interesse na comunidade científica e industrial devido a suas excelentes propriedades físico-químicas e possíveis aplicações em diversas áreas, tais como: nanoeletrônica, biotecnologia e compósitos poliméricos. Nessse projeto de pesquisa, a esfoliação em fase líquida (EFL) em meio aquoso foi utilizada para a preparação de partículas bidimensionais de MoS2 e posterior utilização na produção de nanocompósitos, por ser uma opção extremamente atraente, de baixo custo e ambientalmente amigável. Verificou-se por diferentes técnicas (Microscopia Eletrônica de Varredura - MEV, Microscopia de Força Atômica - AFM, Espectroscopia de Raman, Espectroscopia UV-VIS, Microscopia Ótica, Potencial Zeta, Espalhamento de Luz e Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier – FTIR) que a água é um excelente solvente para produção de MoS2 com poucas camadas, gerando uma dispersão com excelente estabilidade. Através de simulações quânticas ab initio baseadas na teoria do funcional da densidade (DFT), pôde-se inferir que essa estabilidade se deve a funcionalização das bordas de enxofre “S” com hidrogênio “H”. Em uma primeira etapa, utilizou-se o poliestireno (PS) como matriz polimérica na produção dos nanocompósitos com MoS2, empregando uma extrusora dupla rosca como meio de mistura dos componentes. Diversas técnicas de caracterização foram utilizadas para avaliação dos nanocompósitos produzidos, como: Cromatografia por exclusão de tamanho (SEC), Espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), Microscopia Confocal Raman, Difração de Raios X (DRX), Ângulo de contato (AC), Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), Microtomografia de Raios X, Análise Termogravimétrica (TGA), Análise Dinâmico-Mecânica (DMA), Ensaios de Tração e Ensaios Reológicos. Os nanocompósitos apresentaram aumento da tenacidade quando comparados ao PS puro (especialmente com teor de carga de 0,002% em massa), como também conduziram a alterações positivas na estabilidade térmica, evitando com isso a degradação térmica do PS durante o processamento. Os resultados obtidos também indicaram que a carga foi homogeneamente dispersa e com boa adesão a matriz polimérica. Posteriormente foi realizado um estudo empregando uma matriz polimérica biodegradável, o poli (butileno adipato-co-tereftalato) – (PBAT). Esse é considerado um dos polímeros mais promissores para a produção de embalagens de filmes sustentáveis. Dessa forma, foram obtidos filmes por extrusão plana de PBAT incorporando 0,001, 0,002 e 0,003% em massa de MoS2. As diferentes composições obtidas na forma de filmes foram caracterizadas por DRX, FTIR e por ensaio mecânico de tração no sentido longitudinal e transversal. As análises de DRX mostraram que as fases cristalinas presentes no PBAT não apresentaram mudanças significativas com a adição do MoS2. As propriedades mecânicas dos nanocompósitos de PBAT/MoS2 apresentaram melhor desempenho no sentido longitudinal. Esses resultados evidenciaram que a estrutura bidimensional dessa carga com baixo número de camdas (~5) conseguiu proporcionar excelentes propriedades as matriz poliméricas de PS e PBAT, mesmo em teores extremamente baixos até então nunca apresentados na literatura. - TeseEfeito de materiais bidimensionais no mecanismo de fotodegradação de materiais poliméricosÂngulo, Aurianny Lima (2023-08-16)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Esta pesquisa refere-se ao estudo dos mecanismos de degradação de nanocompósitos baseados em materiais bidimensionais. O comportamento desses materiais quando expostos à radiação ultravioleta (UV), embora pouco estudado, é uma importante ferramenta para entender a vida útil desses produtos e definir estratégias de estabilização. Neste trabalho, foi investigado o processo de fotodegradação dos polímeros puros e dos nanocompósitos, a fim de entender o comportamento oxidativo de sistemas poliméricos baseados em materiais 2D sem aditivação sob diferentes períodos de exposição ao envelhecimento acelerado. A escolha das matrizes poliméricas foi correlacionada com o setor de produção de filmes para embalagens, devido à grande importância deste produto na manutenção da qualidade e frescor dos produtos alimentícios. Os nanocompósitos foram preparados usando a técnica de mistura no estado fundido. O dissulfeto de molibdênio (MoS2), em baixíssimos teores de carga, foi usado como material 2D em nanocompósitos de poliestireno, o grafeno (Gr) e óxido de grafeno (GO) foram adicionados em polietileno de baixa densidade (PEBD) e o nitreto de boro hexagonal (h BN) foi usado em matriz de polietileno de alta densidade (PEAD). As amostras foram produzidas com teores diversos de materiais 2D, entre 0,001 e 0,005 para os nanocompósitos à base de PS; e entre 0,05 e 0,3% em massa para poliolefinas. As amostras foram expostas à radiação ultravioleta, em uma câmara de envelhecimento acelerado, por períodos de até 8 semanas. Após os intervalos de exposição selecionados, a extensão da degradação foi avaliada por espectroscopia de infravermelho (FTIR), espectroscopia no espectro visível (UV-vis), difração de raios-X (DRX) e ensaios térmicos (DSC), a depender da composição. A banda de carbonila foi monitorada em função do tempo de exposição à radiação por índice de carbonila e ajuste matemático de curva. A deconvolução da banda de FTIR revelou a presença dos grupos funcionais oxigenados típicos de processos foto-oxidativos: ácidos carboxílicos, cetonas, aldeídos e ésteres. O comportamento de oxidação em relação ao tipo de nanocompósitos mostra que as composições de PS/MoS2, PEBD/Gr e PEBD/0,3 GO sofrem menores taxas de oxidação quando comparadas às matrizes. Estas composições estão associadas ao efeito fotoprotetor decorrente da presença das nanoestruturas. Por outro lado, as composições de baixo teor de óxido de grafeno e hBN/PEAD aceleraram os processos de degradação. - TeseEfeito dos elementos de liga Cr, Ni e Mo nos aços inoxidáveis da série 300 na cinética dos processos de nitretação a gás e nitretação a plasmaSimião, Mauricio (2021-05-24)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
The effect of the chemical composition of austenitic stainless steels on the response to plasma and gas nitriding treatments was treatments were studied. The experimental techniques employed were metallographic analysis, microhardness tests, and measurements of the nitrogen content of the mass / volume nitrided. The work was carried out using commercial materials, with increasing levels of alloy elements, starting from the AISI 304L, 316L, 317 and up to 310 (superaustenitic) alloys. The results and discussions were organized for different levels of chromium, nickel and molybdenum, evaluating the effect of increasing levels for first two, and of molybdenum for nickel and “constant” chromium. The results indicate that the increase in the sum of chromium + nickel elements reduces the growth rate of nitride layer. Molybdenum alone also reduces the thickness of the “nitrided layer”. - TeseEstudo da influência da microadição de nióbio nas variáveis térmicas de solidificação e microestruturas da liga CuAl10Ni5Fe5Teram, Rogerio (2024-08-09)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O objetivo deste trabalho é analisar a influência da microadição de nióbio sobre as variáveis térmicas de solidificação e microestruturas da liga de bronze-alumínio níquel (CuAl10Ni5Fe5) obtida após a solidificação do lingote. O lingote foi obtido por fundição da liga comercial (CuAl10Ni5Fe5) com adição de liga-mãe de nióbio (Nb 22Al-1Fe) solidificada em uma lingoteira de grafite montada em um dispositivo de solidificação com sistema de resfriamento acoplado. O calor foi extraído de forma unidirecional ascendente através de refrigeração por água na base da lingoteira de grafite. As variáveis térmicas de solidificação, entre elas, velocidade de deslocamento da isoterma liquidus (VL), taxa de resfriamento (TR) e gradiente térmico (GL) foram avaliadas em função da distância da superfície de extração de calor no lingote. As análises e ensaios foram realizadas na estrutura bruta de solidificação. A composição química foi analisada por espectrometria de emissão atômica por plasma indutivamente acoplado (ICP-OES). As microestruturas foram analisadas por microscopia óptica (MO) e por microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por energia dispersiva (MEV-EDS) em cada posição do termopar. A dureza foi medida nas posições dos termopares no lingote e correlacionadas com as variáveis térmicas de solidificação. Foram medidas a permeabilidade magnética, a condutividade elétrica e calculada a resistividade elétrica para o lingote obtido. Pôde se observar que maiores taxas de resfriamento e velocidades de deslocamento da isoterma liquidus maiores apresentaram maiores valores de dureza. Evidenciou-se por EDS que o nióbio se associou a partículas com alto teor de ferro, no caso, partículas kappa II (κII). As análises por difração de raios X (DRX) permitiram quantificar os intermetálicos presentes na liga fundida. - TeseEstudo das propriedades de fluência do aço AISI 4340 revestido por aspersão térmica a plasma atmosféricoMoraes, Dênison Angelotti (2023-08-09)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O aço AISI 4340 é uma liga com uso bastante difundido na construção de componentes estruturais. É uma liga termicamente tratável que contém níquel, cromo e molibdênio, proporcionando à liga alta resistência, ductilidade e tenacidade, apresentando, em geral, excelente comportamento quando submetido as condições de fadiga e fluência. A fratura por fluência tem se apresentado como um problema em aplicações industriais de geração de energia, componentes estruturais automotivos e aeroespaciais e na indústria química, levando os materiais empregados, e dentre eles a liga AISI 4340, à falha nessa condição. Este trabalho estudou o comportamento da liga em condições de fluência do material como fornecido, sem tratamento térmico adicional, comparando-o com um material revestido com 100 m de material autofluxante à base de níquel. Corpos de prova preparados em conformidade com a norma ASTM foram ensaiados em fluência, com carga de 200 MPa em temperaturas de 550 e 600 °C, com carga de 250 MPa em temperaturas de 500 e 550 °C e, posteriormente, com carga de 300 MPa em temperatura de 550 °C. Com o levantamento das curvas de fluência foi possível observar o aumento da resistência nas condições de 200 MPa nas temperaturas de 550 e 600 °C, bem como na condição de 250 MPa e 500 °C, para as amostras revestidas, evidenciado pela diminuição da taxa de fluência secundária e aumento do tempo até a ruptura do material.