Engenharia de Materiais e Nanotecnologia - Teses - EE Higienópolis
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- TeseMatriz cimentícia nanoestruturada: o papel da nanosílica e do óxido de grafeno nas propriedades mecânicasBrito , Igor da Silva (2024-02-05)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Os materiais cimentícios, como o concreto, são os mais utilizados pelo homem em sociedade, estando atrás apenas da água em termos de quantidade e volume. E como reduzir sua utilização não é uma alternativa viável do ponto de vista social, e industrial, é necessário prover uma estratégia que permita otimizar o seu desempenho mecânico e aumentar sua eficiência ambiental, contribuindo para reduzir o impacto das emissões de dióxido de carbono (CO2). Serão estudadas formulações para esse objetivo, que utilizem quantidades controladas e/ou reduzidas de cimento, uso de materiais suplementares e mais recentemente com o uso da nanotecnologia, os nanomateriais. Assim, através da engenharia de materiais e nanotecnologia, novas alternativas são possíveis, uma delas utilizada neste trabalho, o emprego do óxido de grafeno (GO), e nanosílica (NS) como ferramenta para o aumento da capacidade mecânica e multifuncional elevando assim, a eficiência no uso dos ligantes. Esta tese obteve sucesso nesses objetivos, formulando e produzindo matrizes cimentícias ternarias e quaternárias, formuladas com uso de materiais suplementares. Além disso, a concepção considerou o uso em conjunto com os nanomateriais de carbono, mitigando assim problemas com a dispersão destes em meio cimentício, de forma a se alcançar matrizes nanoestruturadas. Buscando através dessa estratégia aumentar o desempenho e a durabilidade, empregando o GO em duas versões, um simples e outra hibrida, no qual as folhas de GO foram recobertas com nanosílica (GO-NS), obteve-se assim os nanocompósitos a base de cimento. Para isso, o trabalho foi estruturado em 6 capítulos, divididos em três macro blocos que consistem em formular as matrizes de alto desempenho base utilizando a distribuição otimizada de partículas, no segundo, sintetizar os nanomateriais carbonáceos de estudo e no terceiro, fabricar os nanocompósitos cimentícios. A estratégia do trabalho possibilitou obter uma matriz nanoestruturada que simultaneamente exibe as características de elevada performance, ultrapassando os 100 MPa de resistência a compressão com diminuição de 16,30% do CO2 gerado por m³, sendo que esse desempenho foi alcançado utilizando 10% menos cimento que o traço referência. - TeseDesenvolvimento de punção e matriz de alta resistência mecânica e ao desgaste para conformação de tampas twist off para indústria 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. - TeseAvaliação do comportamento mecânico em temperaturas elevadas e da microestrutura da liga bronze alumínio silício CW301GSantos, 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. - TeseTwo-dimensional nanomaterials as fillers in hierarchical polymer composites for ballistic protectionCremonezzi, Josué Marciano de Oliveira (2022-12-19)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
Conflitos entre grupos são intrínsecos à raça humana. As disputas com o uso de força foram constantes ao longo da história e ainda são nos tempos atuais. Assim, aparatos de proteção precisam ser constantemente desenvolvidos para resistir a ataques de ameaças com poder de fogo cada vez maior. Esforços para o desenvolvimento de armaduras mais leves, flexíveis, confiáveis e eficientes são muito bem-vindos. Nesse sentido, a nanoestruturação da matriz de compósitos poliméricos reforçados com fibras é uma estratégia promissora para a melhoria de suas propriedades mecânicas e desempenho de proteção balística. Neste trabalho, foram desenvolvidos compósitos de proteção balística aprimorados com nanomateriais bidimensionais. Para isso, foi realizado um extenso estudo desde a seleção dos nanomateriais até a avaliação do desempenho balístico dos compósitos desenvolvidos. Óxido de grafeno (GO) e dissulfeto de molibdênio (MoS2) foram empregados como nanocargas de poli(vinil butiral), um polímero amplamente utilizado como matriz de compósitos de aramida. O GO apresentou excelente compatibilidade com o polímero, o que resultou em excelente dispersão e reforço. O módulo de Young do nanocompósito foi até 169 % maior do que o do polímero puro. Por outro lado, o MoS2 apresentou apenas uma interação modesta com o polímero, fazendo com que ficasse mal disperso na matriz. Mesmo assim, a nanocarga foi capaz de aumentar a rigidez do polímero. Além disso, na avaliação das propriedades mecânicas dos nanocompósitos, foi feita a proposta de um uso inovador da análise micromecânica, possibilitando pela primeira vez a avaliação matemática da espessura da interface polímero/carga. Os compósitos hierárquicos com matrizes reforçadas com GO ou MoS2 apresentaram tenacidade à tração até 90,3 % maior do que o compósito convencional, devido à adesão aumentada entre as fibras e as matrizes modificadas. Por fim, os compósitos hierárquicos desenvolvidos apresentaram melhor desempenho quando aplicados como coletes à prova de bala nível II-A em um teste balístico. As blindagens hierárquicas resistiram a impactos de projéteis com velocidade ~10 m s-1 maior que a convencional devido a uma capacidade específica de absorção de energia 5 % maior. Como resultado, os compósitos desenvolvidos apresentaram limite balístico 6 % superior ao convencional, mostrando que a nanoestruturação da matriz de materiais resistentes à balística é uma tecnologia promissora para o projeto de armaduras de última geração. - TeseAvaliação de métodos de mistura na obtenção de compósitos à base de cobre reforçado com óxido de grafenoSouza, 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.