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Construção e teste de uma câmara de atmosfera controlada para estudo de microdescargas/microplasmas operando à pressão atmosférica
No full textSeminário de Iniciação Científica e Tecnológica.
Universidade Federal de Santa Catarina.
UFSC campus Florianópolis. Departamento de Engenharia MecânicaVisando diminuir o impacto ambiental e de tratamentos de superfície já consolidados, o tratamento de superfície por plasma vem se destacando, porém com o empecilho de comumente serem realizados a baixas pressões (inferior a 15 mbar), realizado em bateladas, aumentando o custo do processo. O que despertou o interesse de cientistas pelo plasma à pressão atmosférica(P.A.), dentre eles, as microdescargas se destacam, visto que são geradas por meio de fontes de tensão relativamente simples. No projeto previamente desenvolvido pelo orientador da bolsa, Rodrigo Perito Cardoso, foi construído e testado um reator de três eletrodos que faz uso de tal tecnologia, porém a falta de controle sobre a atmosfera da microdescarga era um empecilho e fez com que se fosse necessário o uso de uma câmara de vácuo, a qual foi desenvolvida durante a bolsa PIBITI no período de Ago/2020-Jul/2021, pelo bolsista Rafael Augusto Novaes de Macedo Godoy, orientado pelo professor Rodrigo Perito Cardoso, nas dependências do LabMat(Laboratório de Materiais)/UFSC, com o propósito de projetar, confeccionar e testar uma câmara de vácuo onde seria operado o reator para saber a influência das impurezas no plasma a P.A.. Durante a fase de projeto da câmara, fiz uso do software SolidWorks para fazer a modelagem 3D do projeto, cumprindo todos os requisitos necessários para a operação do reator de três eletrodos dentro da câmara. Ao movermos para a fase de confecção, abraçamos a oportunidade de reutilizar uma câmara previamente produzida no LabMat, embora fosse necessário fazer algumas alterações no projeto inicial. Foi necessário lixar completamente a câmara pois a mesma estava enferrujada, substituir todos os componentes antigos visando diminuir a probabilidade de algum vazamento e atender as necessidades do reator. Montamos a câmara em um suporte de metal que continha a bomba que iria regular o vácuo. Não ocorreu nenhum vazamento durante os testes realizados. Dado a bolsa ter ocorrido em meio a uma pandemia e muito dela necessitar do ambiente presencial, nao houve tempo hábil para a realização dos testes finais da influência das impurezas na microdescarga
Análise teórica-experimental da influência do ângulo de contato sobre a formação de geada em placa plana sob convecção forçada
No full textOrientador: Professor Christian Johann Losso Hermes, Dr.EngCoorientador: Professor Rodrigo Perito Cardoso, Dr.EngTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais. Defesa : Curitiba, 17/11/2017Inclui referências : p. 83-89Resumo: O presente estudo tem como objetivo investigar, por meio de uma abordagem teórico-experimental, o efeito da molhabilidade superficial na formação de geada sobre superfícies planas horizontais sob condições de convecção forcada laminar. Um túnel de vento fechado foi especialmente projetado e construído para fornecer um controle rigoroso das condições psicrométricas do ar na entrada da seção de testes e também das temperaturas da superfície da placa. Um sistema de aquisição de imagem foi usado para medir a espessura da camada de geada ao longo do tempo. Um conjunto de dados composto por 828 pontos de dados experimentais que abrangem diferentes temperaturas da superfície (de -20 a -10 ° C) e temperaturas do ar (de 5 a 16 ° C), com o numero Jakob modificado variando de 1,05 a 2,10 e ângulos de contato variando de 60 ° (hidrofílico) a 123 ° (hidrofóbico) foi coletado para investigar os efeitos individuais e simultâneos dos principais parâmetros de transferência de calor e massa na taxa de crescimento de geada. Uma abordagem de modelagem de primeiros princípios foi usada em conjunto com os dados experimentais obtidos no trabalho para obter uma expressão semi-empirica totalmente algébrica para a espessura da geada como função do tempo, do numero Jakob modificado, do gradiente de umidade e o angulo de contato da superfície. Verificou-se que a correlação proposta foi capaz de prever a maioria dos pontos de dados experimentais (> 90%) para a espessura de geada dentro de limites de erro de +- 15%. Palavras-chave: formação de geada. placa plana horizontal. molhabilidade superficial. analise Experimental. correlação semi-empirica.Abstract: The present study is aimed at investigating, by means of a theoretical-experimental approach, the effect of surface wettability on the frost accretion over horizontal flat surfaces under laminar forced convection conditions. A purpose-built closed-loop wind-tunnel facility was especially designed and constructed to provide a strict control of the psychrometric conditions at the entrance of the test section, and also of the plate surface temperatures. An image acquisition system was used to measure the thickness of the frost layer over time. A dataset comprised of 828 experimental data points spanning different surface temperatures (from -20 to -10°C) and air temperatures (from 5 to 16C°), with the modified Jakob number ranging from 1.05 to 2.10, and contact angles ranging from 60° (hydrophilic) to 123° (hydrophobic) was gathered to investigate both the individual and the simultaneous effects of key heat and mass transfer parameters on the frost growth rate. A first-principles modeling approach was used together with the experimental data obtained in-house to come out with a semi-empirical fully-algebraic expression for the frost thickness as a function of the time, the modified Jakob number, the humidity gradient, and the surface contact angle. It was found that the proposed correlation was able to predict most of the experimental data points (>90%) for the frost thickness within +- 15% error bounds. Keywords: frost accretion. horizontal flat plate. surface wettability. experimental analysis. semi-empirical correlation
Plasmas micro-ondes en cavité résonnante à la pression atmosphérique : étude des plasmas d'hélium et applications au traitement des matériaux
No full textThe present work deals with the study of helium microwave plasmas at atmospheric pressure generated in a resonant cavity and their applications in surface treatment. First of all, a state of art of microwave atmospheric pressure plasmas and their applications is presented. Next, a collisional-radiative model for pure helium discharge and post-discharge is described. The results of the model are compared to experimental data obtained at 2500 K and a coherent set of cross-sections and rate constants is obtained for these conditions. Emission and absorption spectroscopy diagnostics are employed to characterize the helium plasma. The gas temperature is determined by the rotational synthetic spectra method. The evolution of the gas temperature, as a function of the input power, the concentration and the nature of impurities in helium, is measured. It turns out that the plasma volume plays a significant role on the gas temperature. The He(23S) concentration is determined by laser absorption in pulsed and continuous mode. In continuous mode, the metastable concentration is divided by 3 with 360 ppm of impurity, regardless of the nature of the impurity. Nevertheless, during the post-discharge, in pulsed mode, the nature of the impurity plays an important role. These measurements support the idea that He+ and not He2+ is the main ion. Concerning the applications, only post-discharges are utilized. We demonstrate that deposition of SiOx using hexamethyldisiloxane as precursor can be efficient. We show that titanium nitriding at high temperature is possibleLes travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude des plasmas d'hélium générés par micro-ondes en cavité résonnante à la pression atmosphérique et sur leurs applications en traitement de surfaces. Tout d'abord, un état de l'art sur les plasmas micro-ondes à la pression atmosphérique et leurs applications est présenté. Ensuite, un modèle collisionnel-radiatif de la décharge et de la post-décharge d'hélium pur est établi. Les résultats du modèle sont comparés aux mesures expérimentales obtenues à 2500 K et un jeu de sections efficaces et de constantes cinétiques valables pour ces conditions est proposé. Expérimentalement, des analyses par spectroscopie d'émission et d'absorption sont employées. La température du gaz est déterminée par la méthode du spectre rotationnel synthétique en fonction de la puissance, de la concentration et de la nature des impuretés introduites dans l'hélium. Il s'avère que le volume du plasma est un paramètre déterminant sur la température du gaz. La concentration du métastable He(23S), en décharge continue et pulsée, est déterminée par absorption laser. En décharge continue, la concentration du métastable est divisée par trois avec 360 ppm d'impureté, la nature de l'impureté n'ayant pas d'importance. En revanche, en post-décharge la nature de l'impureté est déterminante. Les mesures réalisées indiquent que He+ et non He2+ serait l'ion majoritaire. Concernant les applications de ce type de plasma, nous avons travaillé en post-décharge uniquement. Nous avons démontré la faisabilité du procédé de dépôt de SiOx à partir d'hexaméthyldisiloxane. Nous avons aussi montré que la nitruration du titane à haute température était possibl
Estudo númerico e experimental do processo de deposição e difusão de níquel via plasma em amostras de ferro na configuração ânodo-cátodo confinado
No full textDissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaA aplicação industrial de técnicas de processamento de materiais por plasma vem apresentando um notável crescimento nos últimos anos. Este crescimento deve-se a algumas características particulares destes processos, dentre elas pode-se citar: fácil automação do processo, economia de gases (por trabalhar-se em geral à baixas pressões), vantagens ecológicas (uma vez que tratamentos por plasma são, em geral, não poluentes ou muito pouco poluentes) e qualidade dos tratamentos. Dentre os tratamentos por plasma destacam-se os do tipo físicos (deposição de filmes e sinterização) e os termoquímicos (nitretação, boretação, cementação). O foco do presente trabalho é o estudo experimental e teórico do processo físico de deposição de níquel proveniente da pulverização catódica sobre amostras de ferro. O processo de deposição foi realizado em condições equivalentes às utilizadas na sinterização por plasma na configuração ânodo-cátodo confinado. A amostra (ânodo) foi posicionada concentricamente no interior do cátodo cilíndrico, com espaçamento de 6,25 mm. O cátodo é constituído de Níquel 200 (níquel comercialmente puro) e as amostras de aço IF (interstitial free) e de ferro puro sinterizado. Para os tratamentos foram fixados os seguintes parâmetros: fluxo de gases em 240 sccm (standard cubic centimeter per minute), mistura gasosa em 80% Ar / 20% H2 e temperatura em 1150 °C. Foram estudadas as variações do processo de deposição em função da tensão da fonte (500, 600 e 700 V) e do tempo de processamento (0, 0,5, 1, 1,3 e 2 h). As amostras foram caracterizadas por medidas de ganho de massa, microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura e por micro análise por energia dispersiva de raios X. No estudo teórico, foi utilizado o método dos volumes finitos para a simulação da difusão de massa na amostra e na fase gasosa. Os experimentos mostraram que o processo de deposição ocorre com taxa de deposição constante em relação ao tempo de processamento e que a taxa de deposição varia de maneira linear com a tensão aplicada na fonte, para as condições estudadas. Os resultados do modelo de difusão aplicado para a amostra apresentaram boa concordância com os dados experimentais. Já no modelo para a fase gasosa encontrou-se dificuldade para estimar alguns parâmetros necessários, entretanto este ajudou a esclarecer alguns aspectos importantes na fenomenologia do processo. Estudos mais aprofundados, sobretudo sobre a descarga elétrica, são necessários para completa compreensão deste processo
Microwave plasmas at atmospheric pressure in resonant cavity : study of helium plasmas and applications to materials treatment
No full textLes travaux présentés dans ce mémoire portent sur l’étude des plasmas d’hélium générés par micro-ondes en cavité résonnante à la pression atmosphérique et sur leurs applications en traitement de surfaces. Tout d’abord, un état de l’art sur les plasmas micro-ondes à la pression atmosphérique et leurs applications est présenté. Ensuite, un modèle collisionnel-radiatif de la décharge et de la post-décharge d’hélium pur est établi. Les résultats du modèle sont comparés aux mesures expérimentales obtenues à 2500 K et un jeu de sections efficaces et de constantes cinétiques valables pour ces conditions est proposé. Expérimentalement, des analyses par spectroscopie d’émission et d’absorption sont employées. La température du gaz est déterminée par la méthode du spectre rotationnel synthétique en fonction de la puissance, de la concentration et de la nature des impuretés introduites dans l’hélium. Il s’avère que le volume du plasma est un paramètre déterminant sur la température du gaz. La concentration du métastable He(23S), en décharge continue et pulsée, est déterminée par absorption laser. En décharge continue, la concentration du métastable est divisée par trois avec 360 ppm d’impureté, la nature de l’impureté n’ayant pas d’importance. En revanche, en post-décharge la nature de l’impureté est déterminante. Les mesures réalisées indiquent que He+ et non He2+ serait l’ion majoritaire. Concernant les applications de ce type de plasma, nous avons travaillé en post-décharge uniquement. Nous avons démontré la faisabilité du procédé de dépôt de SiOx à partir d’hexaméthyldisiloxane. Nous avons aussi montré que la nitruration du titane à haute température était possibleThe present work deals with the study of helium microwave plasmas at atmospheric pressure generated in a resonant cavity and their applications in surface treatment. First of all, a state of art of microwave atmospheric pressure plasmas and their applications is presented. Next, a collisional-radiative model for pure helium discharge and post-discharge is described. The results of the model are compared to experimental data obtained at 2500 K and a coherent set of cross-sections and rate constants is obtained for these conditions. Emission and absorption spectroscopy diagnostics are employed to characterize the helium plasma. The gas temperature is determined by the rotational synthetic spectra method. The evolution of the gas temperature, as a function of the input power, the concentration and the nature of impurities in helium, is measured. It turns out that the plasma volume plays a significant role on the gas temperature. The He(23S) concentration is determined by laser absorption in pulsed and continuous mode. In continuous mode, the metastable concentration is divided by 3 with 360 ppm of impurity, regardless of the nature of the impurity. Nevertheless, during the post-discharge, in pulsed mode, the nature of the impurity plays an important role. These measurements support the idea that He+ and not He2+ is the main ion. Concerning the applications, only post-discharges are utilized. We demonstrate that deposition of SiOx using hexamethyldisiloxane as precursor can be efficient. We show that titanium nitriding at high temperature is possibl
Otimização da impressão de corpos de prova utilizando o processo de manufatura aditiva indireta por extrusão de material
No full textIC(graduação)- Universidade Federal de Santa Catarina. CTC.A manufatura aditiva (MA) que permitiu a quebra de alguns paradigmas nos processos fabricação, entretanto tal tecnologia ainda apresenta custos elevados em termos de equipamentos e insumos, restringindo seu uso à componentes de elevado valor agregado. Uma das formas de otimizar a implementação do processo de MA de componentes metálicos sem abrir mão da versatilidade, utilizando-se filamentos poliméricos com elevada carga metálica em equipamentos baseados na tecnologia de fabricação por filamento fundido (FFF). Para produção em metal, após dar forma ao componente este passa por um processo de remoção do ligante polimérico e sinterização do pó metálico, sendo estas etapas, que levam à consolidação do componente metálico, algo similar ao processo de moldagem de pós por injeção. Este estudo busca conciliar a versatilidade da MA com a ampla gama de materiais disponíveis para processamento por moldagem de pós por injeção, uma vez que poucas são as empresas que fornecem filamentos com elevada carga metálica suficientemente flexíveis para ser processado na impressora 3D. Trabalhos preliminares se concentraram na adaptação de uma impressora 3D convencional para processar, através um sistema de extrusão com rosca, matéria-prima, feedstock, utilizada na moldagem de pós por injeção. Entretanto os parâmetros de fabricação são de fundamental importância no despenho final das peças e componentes fabricados e ainda não haviam sido avaliados com profundidade e de forma sistemática. Dessa forma, o objetivo desse projeto foi avaliar e otimizar parâmetros de fabricação que envolvem a extrusão de material e a impressão de peças através da manufatura aditiva indireta de metais por extrusão de material, para ao fim produzir corpos de prova e componentes que permitiram avaliar e estudar os parâmetros mais promissores para aplicação ao processo. Ao longo do desenvolvimento da atividades foram produzidos a matéria-prima aplicada no processo de manufatura aditiva (feedstock), impressos diferentes corpos de prova, caracterização dos corpos de prova com microscópio eletrônico, microscópio óptico, perfilômetro, balanças de precisão, picnometria além de executar o processo de extração e sinterização dos componentes ao final (pós processamento). Os principais parâmetros avaliados nesse trabalho foram temperatura de extrusão, temperatura da mesa aquecida, diâmetro do bico, taxa de extrusão, altura de camada e resfriamento
Nitretação por plasma à pressão atmosférica usando microdescargas: avançando no entendimento do processo e em sua aplicação
No full textCom a crescente demanda de novas tecnologias que agridem cada vez menos o meio ambiente,
o desenvolvimento de tecnologias acerca do plasma vem ganhando grande notoriedade ao longo dos
anos no ramo de tratamentos termoquímicos. Isso se deve a possibilidade de alteração das
propriedades mecânicas do material e uma menor influência na agressão do meio ambiente. Em
consequência disso, neste trabalho, buscou-se utilizar o processo de plasma a pressão atmosférica
para a deposição de filmes a partir do precursor hexametildisiloxano em amostras de carbonila. Diante
disso, o presente trabalho busca discutir sobre métodos que seriam utilizados para a desenvoltura do
atual relatório, assim como, mostrar possíveis técnicas e análises que podem ser utilizadas
posteriormente. Além disso, neste relatório, iremos mostrar as modificações feitas no sistema elétrico
e mecânico dos equipamentos utilizados para a pesquisa, tal como, iremos mostrar as dificuldades
encontradas durante o período de desenvolvimento do presente relatório, como: falha da fonte
utilizada e modificação do sistema com o objetivo de deixá-lo mais seguro; que devido a estes,
dificultaram e impediram o progresso do desenvolvimento principal da pesquisa impossibilitando a
continuação do projeto e inviabilizando a obtenção de resultados acerca do estudo
Modelamento matemático da cinética de crescimento da camada nitretada em ligas FeAl-40%
No full textTCC (graduação) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Engenharia de Materiais.A indústria moderna enfrenta desafios constantes na procura de materiais que
satisfaçam a crescente procura de produtos inovadores. A liga Fe-Al Grau 3 B2 apresenta uma
perspectiva atraente devido às suas propriedades mecânicas e térmicas únicas. Embora
melhorias incrementais tenham sido feitas, os desafios relacionados à dureza e à resistência à
corrosão permanecem. Neste contexto, a nitretação tornou-se um método eficaz para melhorar
as propriedades da liga. Assim, este trabalho visa realizar o modelamento matemático do
crescimento da camada nitretada da liga Fe-Al Grau 3 B2, buscando compreender os
fenômenos físicos e químicos presente no processo e assim garantir um maior controle da
espessura da camada nitretada permitindo ajustar os parâmetros do processo de nitretação para
atender a requisitos específicos de projeto. As amostras de FeAl40% passaram por um
processo de decapagem por sputtering para a limpeza superficial em uma atmosfera de 60at.%
de Ar + 40at.% de H2
. Posteriormente foi realizada a nitretação por plasma sob uma atmosfera
de 95at.% de N2 + 5at.% de H2
. No processo de nitretação os parâmetros que foram
modificados incluem a temperatura e o tempo. A microestrutura foi avaliada por meio de
diversas técnicas, incluindo Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Microanalisador por
Sonda de Elétrons (EPMA), Difração de Raios-X de Incidência Rasante (GIXRD),
Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) e Tomografia por Sonda Atômica (APT). Os
resultados obtidos durante a pesquisa revelaram uma complexidade na dinâmica da nitretação
assistida por plasma, destacando fenômenos como a precipitação descontínua correlacionada
com a formação de lamelas de Fe-α e AlN. Observou-se uma diferença relativa entre os
valores experimentais e teóricos para a constante de crescimento da camada nitretada, tendo a
maior variação de (47%) ocorrendo a 400°C, enquanto a menor (8%) a 645°C. Foram
identificados alguns fatores que podem impactar no cálculo da camada nitretada, tais como
uma pré-nitretação durante o processo de decapagem devido à contaminação de nitrogênio no
reator. Outro fator que pode impactar, é a utilização da concentração de nitrogênio na Fe-α por
meio do diagrama binário Fe-N, em vez do diagrama ternário Fe-Al-N. Assim, o trabalho
busca aprofundar os estudos nos mecanismos envolvidos na formação da camada nitretada
contribuindo para o desenvolvimento de ligas aprimoradas.The modern industry faces constant challenges in the search for materials that meet the
growing demand for innovative products. The Fe-Al Grade 3 B2 alloy presents an attractive
perspective due to its unique mechanical and thermal properties, making it promising for
applications in the automotive, aerospace, and energy industries. Although incremental
improvements have been made, challenges related to hardness and corrosion resistance
persist. In this context, nitriding has become an effective method to enhance the alloy's
properties. Thus, this work aims to perform mathematical modeling of the nitrided layer of the
Fe-Al Grade 3 B2 alloy, seeking to understand the physical and chemical phenomena present
in the process and ensure better control of the nitrided layer thickness, allowing adjustment of
nitriding process parameters to meet specific design requirements. FeAl40% samples
underwent a sputter cleaning process for surface cleaning in an atmosphere of 60at.% Ar +
40at.% H2
. Subsequently, plasma nitriding was carried out under an atmosphere of 95at.% N2
+ 5at.% H2
. In the nitriding process, the studied parameters included temperature and time.
The microstructure was evaluated using various techniques, including Scanning Electron
Microscopy (SEM), Electron Probe Microanalyses (EPMA), Grazing Incidence X-ray
Diffraction (GIXRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), and Atom Probe
Tomography (APT). The results obtained during the research revealed complexity in the
dynamics of plasma-assisted nitriding, highlighting phenomena such as discontinuous
precipitation correlated with the formation of Fe-α lamellae and AlN. A variation between
experimental and theoretical values for the nitrided layer growth constant was observed, with
the highest variation (47%) occurring at 400°C, while the lowest (8%) at 645°C. Some factors
impacting the nitrided layer calculation were identified, such as pre-nitriding during the
sputter cleaning process due to nitrogen contamination in the reactor. Another factor that may
impact is the use of nitrogen concentration in Fe-α through the Fe-N binary diagram instead of
the Fe-Al-N ternary diagram. Thus, the work seeks to deepen the studies on the mechanisms
involved in the formation of the nitrided layer, contributing to the development of enhanced
alloys
Controle de Porosidade Comunicante em Peças Metálicas Ocas Produzidas via Manufatura Aditiva (MEX)
No full textSeminário de Iniciação Científica e Tecnológica.
Universidade Federal de Santa Catarina.
Centro Tecnológico - CTC. Departamento de Engenharia Mecânica.O presente trabalho tem como foco o aperfeiçoamento da produção de peças metálicas via manufatura aditiva por extrusão de material (MEX) pelo controle do fluxo de material extrudado durante o processo de produção. O principal objetivo do trabalho é ajustar diferentes fluxos com o intuito de reduzir defeitos de impressão, como porosidade intercomunicante com o exterior em componentes ocos e deformidades geométricas ocasionadas pelo excesso de material extrudado. O intuito final é o aprimoramento de parâmetros de impressão que eliminem a porosidade comunicante com o exterior das cavidades de componentes, e garantir uma maior integridade estrutural, para aplicações na indústria.
O trabalho utiliza uma impressora Piocreat G5 adaptada para um sistema de extrusão por rosca, permitindo o uso de feedstock à base de ferro carbonila combinado com ligantes poliméricos (PP, EVA e parafina). Foram realizadas impressões variando apenas o fluxo de material (120% a 160%) e analisadas as massas, dimensões e densidades dos componentes via picnometria de gás hélio, após cada etapa do processo de produção, juntamente com uma análise dos componentes no microscópio eletrônico de varredura (MEV).
Os resultados indicam um crescimento de massa e das dimensões dos componentes conforme o aumento do fluxo, porém apresentam deformidades geométricas quando o fluxo de material está elevado, sugerindo assim que, para combater a porosidade sem comprometer a estabilidade dimensional, era necessário a produção de componentes ocos com uma taxa de fluxo de 130% e um aumento de camadas sólidas, de 7 para 10. Esses resultados destacam a importância de otimizar os parâmetros de extrusão. Embora um fluxo de 160% tenha eliminado eficazmente a porosidade interconectada, causou deformação excessiva. Como alternativa, o aumento do número de camadas sólidas com fluxo de 130% mitigou a porosidade e fechou as cavidades intercomunicantes, mantendo a estabilidade dimensional e apresentando uma abordagem mais equilibrada para melhorar a integridade das peças
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