Engenharia de Materiais e Nanotecnologia - Teses - EE Higienópolis
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- 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. - 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. - 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. - 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. - TeseTêmpera e partição em aço inoxidável martensítico com ênfase na caracterização microestrutural e mecânicaMarques, Murilo Carmelo Satolo (2023-08-11)
Escola de Engenharia Mackenzie (EE)
O tratamento térmico de Têmpera e Partição (T&P) foi desenvolvido com o objetivo de produzir microestruturas multifásicas constituídas por martensita e frações significativas de austenita retida. A microestrutura gerada por esse tratamento térmico pode resultar em uma interessante combinação de ductilidade e resistência. No campo dos aços inoxidáveis, os martensíticos do sistema ternário Fe–Cr–C possuem maior resistência e dureza. Essas características fazem com que aços inoxidáveis martensíticos sejam utilizados em aplicações que requerem um bom nível de resistência mecânica e ao desgaste atrelado a uma moderada resistência à corrosão. O equilíbrio entre resistência e ductilidade dos aços inoxidáveis martensíticos pode ser controlado no processo de têmpera e revenimento, no entanto os resultados são inferiores em comparação com outros aços martensíticos convencionais. Para ampliação do seu campo de aplicações, é necessário melhorar a relação entre resistência e ductilidade. Neste contexto, o presente trabalho corresponde a um estudo do tratamento térmico de têmpera e partição aplicado em duas ligas de aço inoxidável martensítico comercial. Os ciclos de T&P foram definidos a partir de revisão atualizada da literatura e da avaliação dos tratamentos térmicos exploratórios. Desta maneira, simulações foram realizadas utilizando a dilatometria, sendo que as taxas selecionadas para o ensaio foram determinadas para produzir curvas de aquecimento e resfriamento similares às obtidas com os equipamentos disponíveis no centro de pesquisa da empresa Aperam South America. Diferentes frações de austenita retida nas amostras foram obtidas por meio da variação da temperatura de interrupção do resfriamento no processo de têmpera (TQ), sendo este o único parâmetro a variar entre os ciclos. Foram produzidos mais de 420 corpos de prova para as caracterizações mecânica e microestrutural. Os corpos de prova foram tratados em fornos de laboratório com resfriamento por ar forçado. Para garantir os parâmetros durante o tratamento térmico, utilizou-se um dispositivo de fixação das peças e um sistema de monitoramento por termopares da temperatura e tempo durante todo o processo. Para a caracterização, utilizou-se a análise metalográfica (MO e MEV), EDS, EBSD, DRX e medição de densidade. As propriedades mecânicas foram determinadas pelos ensaios de dureza, tração e impacto. Como resultado, o conjunto de caracterizações evidenciou que, à medida que aumenta a fração de austenita retida no material, há uma redução da sua estabilidade mecânica, resultando em redução do limite de escoamento. Os alongamentos uniforme e total se mantiveram com pouca variação nas amostras que apresentaram fração de austenita retida mecanicamente estável. Nessa condição não se observou o surgimento do efeito TRIP (transformation induced plasticity) nas amostras. Por outro lado, observou-se para essas amostras um aumento na energia absorvida em função do aumento da fração de austenita retida estável mecanicamente. Na condição que apresentou a melhor relação de limite de resistência e ductilidade, se torna evidente o efeito TRIP, atingindo um alongamento total na ordem de 22%, valor este muito superior à condição de temperado e revenido convencional, na ordem de 12 a 15%. Para esta condição, a resistência ao impacto ainda foi razoável, porém não sinalizou maiores valores, atribuindo-se esta resposta à instabilidade mecânica da austenita. A caracterização microestrutural revelou que o processo de T&P promoveu a formação de bandas de austenita na região central da chapa. Esse fenômeno, de forma isolada, não representa redução das propriedades mecânicas. Entretanto, com o aumento do teor de Carbono na liga, foi evidenciada a formação de uma região frágil composta por bandas de austenita retida, carbonetos alinhados e precipitação no contorno de grão.