Engenharia de Materiais e Nanotecnologia - Teses - EE Higienópolis

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Aplicação da tecnologia de plasma na rede de logística reversa de rejeitos radioativos
Gonçalves, 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.
Aplicação de materiais lamelares inorgânicos no desenvolvimento de membranas nanoestruturadas
Aquino, 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.
Avaliação de métodos de mistura na obtenção de compósitos à base alumínio reforçados com grafeno e óxido de grafeno
Gonçalves, 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.
Avaliação de métodos de mistura na obtenção de compósitos à base de cobre reforçado com óxido de grafeno
Souza, Caique Movio Pereira de (2025-02-11)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O grafeno e o óxido de grafeno tem se destacado promissores materiais de reforço para compósitos de matriz metálica devido às suas excepcionais propriedades mecânicas, ampla área superficial e elevada estabilidade química e térmica. No entanto, a obtenção de uma dispersão homogênea desses materiais em matrizes metálicas, como o cobre, ainda representa um desafio significativo. Isso se deve principalmente à baixa molhabilidade do grafeno e do óxido de grafeno na matriz metálica e à diferença de densidade entre os materiais, o que favorece a formação de aglomerados, comprometendo a eficiência do reforço. O presente trabalho teve como objetivo avaliar diferentes métodos de mistura para a produção de compósitos de matriz de cobre reforçados com óxido de grafeno, empregando a técnica de metalurgia do pó. Foram investigados quatro métodos de dispersão do reforço: agitação mecânica, ultrassom, rotoevaporação e a combinação de ultrassom com agitação mecânica. Esses métodos foram avaliados quanto à sua capacidade de promover a dispersão homogênea do óxido de grafeno e sua influência nas propriedades do material. Os resultados demonstraram que a combinação do ultrassom com a agitação mecânica, utilizando acetona como meio líquido, foi o método mais eficiente para a produção dos compósitos, apresentando o melhor equilíbrio entre condutividade elétrica, resistência mecânica e distribuição homogênea do reforço, além de reduzir a formação de aglomerados. Essa abordagem resultou em um aumento significativo na microdureza Vickers, que atingiu 78,2 HV, representando um incremento de 31,8% em relação ao cobre puro, sem comprometer de forma relevante a condutividade elétrica do material, que apresentou uma redução de 16% IACS. Os resultados deste estudo são inovadores ao comparar diferentes técnicas de mistura, fornecendo metodologias para otimizar a dispersão do óxido de grafeno em compósitos de matriz metálica. Além disso, os parâmetros de processamento estabelecidos contribuem para o avanço da fabricação de compósitos de cobre reforçados com nanomateriais, estabelecendo parâmetros otimizados para o processamento e aprimorando a dispersão do reforço na matriz metálica.
Avaliação de tensões residuais em superfícies planas de aços molas submetidas ao processo de stress shot peening
Chiqueti, 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.
Avaliação do comportamento mecânico em temperaturas elevadas e da microestrutura da liga bronze alumínio silício CW301G
Santos, Vinicius Torres dos (2023-11-29)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O objetivo deste trabalho foi realizar a avaliação do comportamento mecânico e microestrutural de uma liga de Bronze Alumínio Silício submetida ao ensaio de compressão em temperaturas elevadas de deformação. A liga selecionada corresponde a série CW301G que, após fundida e homogeneizada, foi submetida ao ensaio a quente em temperaturas entre 730 a 850°C e taxas de deformação entre 10-4 e 10-2 s-1. Os resultados mostraram que as temperaturas e taxas de deformação empregadas exercem influência nos valores de tensão da liga, sendo que as amostras ensaiadas na temperatura de 730°C em taxas de deformação de 10-3 e 10-2 s-1 apresentaram comportamento de escoamento plástico de encruamento gerando os maiores valores de tensão. Os ensaios feitos a 730 ºC com taxa de deformação de 10-4 s-1 e 790 °C e taxa de 10-2 s-1, geraram comportamento de escoamento plástico típico de recuperação dinâmica. Os demais ensaios, promoveram a recristalização dinâmica com notório crescimento de grão associados ao aumento da temperatura e redução da taxa de deformação empregada. Na temperatura de 850 °C, a fração dos microconstituintes presentes na microestrutura é menor, dada pela ausência da fase Fe3Si2, que na temperatura em questão, ainda não foi precipitada na microestrutura, proporcionando resultados mecânicos menores. A relação encontrada entre a tensão crítica e a tensão experimental à 0,10 mm/mm, considerando todos os ensaios feitos é 𝜎𝑐𝑒=68,1 𝜎𝑒0,14, no entanto, para ocorrer a recristalização dinâmica, a relação (𝜎𝑐𝑒𝜎𝑒) corresponde em média a um valor de 60,8%, sendo que, para a recristalização dinâmica, esse valor alcance os 72,5%. Os resultados relacionados ao parâmetro de Zener-Hollomon mostraram que quanto menor o valor de Z, maior o tamanho de grão médio da microestrutura gerada na deformação a quente e, menor os valores da tensão experimental. As constantes da equação constitutiva de Zener-Hollomon encontradas para uma deformação de 10% foram: α= 0,0101 MPa-1, n= 4,49, ln A= 10,7 e energia de ativação Q= 165,45 kJ/mol, possibilitando a realização da regressão linear da equação constitutiva de Zener-Hollomon por meio do seno hiperbólico. A utilização do modelo de Zener-Hollomon mostrou-se eficaz na previsão dos valores de tensão bem como na previsão do comportamento mecânico e microestrutural da liga Bronze Aluminio Silício CW301G no trabalho a quente.
Avaliação do uso de substratos à base de grafeno na produção de células solares de terceira geração sensibilizadas por corante
Oliveira, 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.
Caracterização dos vidros metálicos CuZrAl e CuZrAlEr
Lustosa, 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.
Caracterização microestrutural e interpretações genéticas de texturas em astromateriais
Gonçalves, 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.
Caracterização microestrutural, propriedades mecânicas e elétricas do compósito cobre/grafeno obtido por laminação acumulada
Cruz, 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).
Comportamento sob condição de fadiga da liga Ti-6Al-4V revestida com camada de SiC e intercamada de Cr depositadas por magnetron sputtering
Arbex, 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.
Concreto aditivado com pseudoboemita e poliacrilato de sódio
Pacheco, 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.
Concreto de cimento Portland com adição de pseudoboemita
Emilio, 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.
Construção de equipamento para obtenção de filamentos para impressão 3D: um estudo com copolímero ABS e microcompósitos com fibras de celulose
Sanchez 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.
Desenvolvimento de nanocompósitos baseados em derivados de grafeno e óxidos de metais de transição aplicados em sistemas de armazenamento de energia
Silva, 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.
Desenvolvimento de punção e matriz de alta resistência mecânica e ao desgaste para conformação de tampas twist off para industria de alimentos
Augusto, 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.
Desenvolvimento de punção e matriz de alta resistência mecânica e ao desgaste para conformação de tampas twist off para indústria de alimentos
Augusto, 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.
Desenvolvimento 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.
Dissulfeto de Molibdênio (MoS2) bidimensional como carga para matrizes poliméricas
Rodriguez, 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.
Efeito de materiais bidimensionais no mecanismo de fotodegradação de materiais poliméricos
Ângulo, 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.

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