PROJETO DE MEDIDOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS COMPÓSITOS DIAMANTADOS COM LIGANTES METÁLICOS

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1 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. PROJETO DE MEDIDOR DE CONDUTIVIDADE TÉRMICA DOS MATERIAIS COMPÓSITOS DIAMANTADOS COM LIGANTES METÁLICOS G. S. Borovnitchii; M. Filgueir; A. M. Rmlho; R. C. Trdim Av. Alerto Lmego, CEP , Cmpos dos Goytczes - RJ - Brsil (rtrdim@terr.com.r) Universidde Estdul do Norte Fluminense - UENF RESUMO Form propostos metodologi e o dispositivo pr medição d condutividde térmic de compósitos dimntdos feitos vi lts pressões em um intervlo de tempertur de 25 té 200ºC. Foi presentd dependênci entre condutividde térmic do compósito à se de Dimnte-Si e tempertur do quecimento. A se de resultdos otidos mostr que os ddos experimentis, junto com cálculos teóricos d condutividde térmic de mteriis superduros compósitos, permite vlir o gru de perfeição d estrutur do mteril. Plvrs-chve: compósito dimntdo, lignte, condutividde térmic, insertos, rocs de perfurção. INTRODUÇÃO As crcterístics de trlho de mteriis compósitos dimntdos, em gru significtivo, dependem do estdo ds prtículs de dimnte, proprieddes físicomecânics do mteril lignte e interção n fronteir dimnte-lignte. A presenç de

2 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. imperfeições ness fronteir tis como microtrincs, esfolições, frtur dos dimntes, su grfitizço, etc, que são s conseqüêncis d imperfeição ou inoservânci d tecnologi d sinterizção de mteril, levm à mudnç ds proprieddes do compósito (1). A vlição imedit do estdo ds prtículs de dimnte e fronteirs interfásics dimnte-lignte pelos métodos óticos e eletrônicos se present como um tref complex e trlhos, não podendo ser utilizd como metodologi d vlição qulittiv d qulidde do compósito otido. Pr resolver este prolem, é mis viável umentr os esforços n vlição d mcro e micro estrutur, n nálise térmic, e n simulção mtemátic, com o ojetivo de determinr quem influenci mis significtivmente s proprieddes do compósito, ou chr outro cminho. Do ponto de vist prático, dependênci significtiv d condutividde térmic dos compósitos à se de dimntes (que são os componentes de lt condutividde térmic do compósito) de seu teor volumétrico, gru de perfeição, estdo e resistênci térmic n fronteir d seprção dimnte-mtriz lev à conclusão de mneir ext que correlção entre condutividde térmic do compósito, e condutividde térmic d mtriz é crcterístic que pode ser utilizd pr vlição do gru d perfeição d estrutur do compósito. Pr determinção dest crcterístic do compósito, form desenvolvids teori, construção do medidor e metodologi d medição do coeficiente de condutividde térmic dos compósitos dimntdos. ELABORAÇÃO DO DISPOSITIVO PARA MEDIÇÃO DA CONDUTIVIDADE TÉRMICA O esquem de construção elordo é presentdo n figur 1. O dispositivo permite relizr s medições do coeficiente de condutividde térmic no regime clorífico e condições de fronteir de primeir espécie (2). As mostrs devem ter formto simétrico (cilindro, prism, prlelepípedo) de seção constnte. O dispositivo é composto de váris peçs unids pr determinção d cpcidde térmic. O fluxo de clor Q que pss trvés d mostr 4 estudd é

3 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. gerdo pelo quecedor elétrico 2 que present seu corpo em form cilíndric com orifício no centro. Neste orifício é instld um rr de core 3, que por cus d crg 1 e peso do quecedor 2 é pressiond sore mostr 4. O segundo topo d mostr 4, rs-se n região 7 com rr de core 5 que serve como elemento pdrão. O fluxo de Q pss diretmente sem perds à rr pdrão 5 cujo topo inferior é instldo com perto (ou solddo) dentro de um refrigerdor 6. A refrigerção relizse pel pssgem de águ à tempertur constnte. Pr diminuição d troc de clor com o miente, utilizm-se tels isolntes n região d mostr. A centrlizção ds peçs em contto é feit com o uxílio de dus guis L 4 d T 1 T 2 T 3 7 L 6 5 T 4 H 2 O Figur 1: O esquem do dispositivo pr medição de condutividde térmic de compósitos dimntdos: 1 crg (peso de 1kg); 2 corpo do quecedor; 3 rr de core; 4 mostr; 5 rr pdrão; 6 refrigerdor; 7 rsgem. A TEORIA DO CÁLCULO DA CAPACIDADE TÉRMICA O fluxo de clor que pss trvés d mostr pode ser determindo pel fórmul (2,3) :

4 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. Q λ = L A T (A) Onde: λ condutividde térmic d mostr; L distânci entre pontos 1 e 2 de medição ds temperturs T 1 e T 2 (figur 1); A áre d seção trnsversl d mostr; T diferenç d temperturs entre os pontos 1 e 2 d mostr. Conseqüentemente, o fluxo de clor pssnte n rr de core (pdrão) vi ser igul : λ Q (B) = A T L Onde: λ condutividde térmic d rr de core; L distânci entre os pontos 3 e 4 de medição ds temperturs T 3 e T 4 (figur 1); A áre d seção trnsversl d rr; T diferenç d temperturs entre os pontos 3 e 4. Então, evidentemente, desprezndo perd do clor que fic por cont d troc convectiv com o miente, e igulndo os fluxos de clor trvés d mostr e rr pdrão, pode ser otid fórmul pr determinção d condutividde térmic d mostr dimntd (4) : λ = λ A A T T L L (C) METODOLOGIA DE MEDIÇÃO Como ojeto de medição de condutividde térmic form utilizds mostrs de Dimnte SiC que são composts de 82 83% de dimnte e 18 17% de creto de silício. Estes compósitos form feitos n UENF so condições de lts pressões (7,0GP) e lts temperturs (1600 C) (1). As dimensões ds mostrs utilizds form 4,1mm de diâmetro e 4,3 mm de ltur.

5 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. Pr medição d tempertur form utilizdos os termopres cromel-lumel tipo K e multímetro MINIPA ET As mostrs devem ser limps tnto nos topos qunto n superfície lterl. Além disso, os topos form estnhdos e os pontos de plicção de junts 1 e 2 form lixdos. As áres d seção trnsversl devem ser medids e clculds. As mostrs devem ter seu topo inferior rsdo com rr pdrão pel mtriz Cu-Ag. As junts quentes dos termopres T 1 e T 2 são pertds à superfície lterl nos pontos 1 e 2 pelos prendedores com prfusos. Acim do conjunto é instld crg de 1kgf. Depois de 5 6min do início do quecimento, os prendedores são pertdos so condição únic de não mudr indicção d tensão. A prtir disso, contdos 10min (regime de clor estelecido), podem ser medids s temperturs T 1, T 2, T 3 e T 4. Depois são clculdos A, T, T e ssim pode ser determindo λ (C). Durnte determinção de λ é necessário levr em cont que pr oter diferenç significtiv de tempertur entre os pontos 1, 2, 3 e 4, é necessário pssr trvés d mostr um fluxo de clor reltivmente lto (gerdo pel potênci de 10W). Isto lev um quecimento significtivo pr mostr e insignificnte pr rr pdrão. Por isso os vlores otidos estão relciondos à condutividde térmic d mostr so tempertur médi (T 1 +T 2 )/2 que durnte os experimentos deve ter seu vlor entre 50 e 60 C. A possiilidde de regulgem do fluxo de clor por cont d mudnç d corrente do quecedor permite medir condutividde térmic so tempertur médi de 200 C. A incertez n determinção d condutividde térmic é compost de erros n medição s dimensões d mostr (2 3%), distânci entre pontos 1 e 2 (3%), determinção d diferenç entre temperturs T 1 e T 2 (1%) e incertez provocd pel troc de clor convectiv, pois Q Q. Ess últim pode ser minimizd trvés do isolmento ds mostrs e considerd por lgum coeficiente integrnte d fórmul (C). Pr metodologi elord incertez d medição d condutividde térmic somd não ultrpss 8 10 C.

6 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. RESULTADOS E DISCUSSÃO N figur 2 é presentd dependênci entre condutividde térmic e tempertur de quecimento pr mostrs do compósito de Dimnte-SiC. 130 λ, W/(m K) T, C Figur 2. Relção entre condutividde térmic d mostr de Dimnte-SiC e tempertur de quecimento: curv 1 ddos experimentis; curv 2 ddos teóricos. A rr pdrão de core tem s seguintes crcterístics so tempertur miente λ =400 W/(m K); A =28,59mm 2 ; L =48,7mm. Pel nálise simples d figur 2, tem-se que com o umento d tempertur condutividde térmic diminui (curv 1). A curv 2 mostr ess dependênci feit pelos cálculos. A diferenç entre os vlores experimentis e clculdos não ultrpssou 5%, o que testemunh com certez utêntic vlidção tnto metodologi d medição qunto o modelo teórico. Anlisndo lguns ddos d litertur específic (5-6), pode ser feit propost que os vlores d condutividde térmic podem servir pr vlição d qulidde do composto. A propost consiste n solução d tref invers d determinção d condutividde térmic efetiv do compósito com s fses e contornos de grão

7 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. dnificdos. A grndez d condutividde térmic medid (de fto) neste cso, será utilizd como prâmetro inicil deste prolem. CONCLUSÃO Form desenvolvids construção do medidor e metodologi de determinção d condutividde térmic ds pstilhs dimntds. A metodologi propost grnte otenção dos vlores certos d condutividde térmic dos compósitos dimntdos. No cso de su plicção em ferrments de perfurção e corte de rochs, condutividde térmic poderá desempenhr o ppel do vlidor (exmindor) d plicilidde dos compósitos n indústri de perfurção. Além disso, estes ddos teóricos e experimentis sore condutividde térmic permitirão oter possiilidde d vlição integrl do gru de perfeição d estrutur ou qulidde do compósito que poderá judr n determinção ds sus proprieddes explortóris. REFERÊNCIAS 1. BOBROVNITCHII, G.; FILGUEIRA, M.; RAMALHO, A. M.; NUNES, E. Os Mteriis Superduros Policristlinos pr Ferrments de Corte: um Análise do Desenvolvimento d Produção. In: 60º Congresso Anul d ABM, v. 1, p , Mnul de Engenhri. Ed. y COSTA, E. G., Editor Gloo, Porto Alegre, v. 5.1, p. 620, CALLISTER, W. Jr. Ciênci e Engenhri de Mteriis, Editor LTC, p. 589, ZEMANSKY, M. W., Clor e Termodinâmic, 5ª ed. Editor Gunr Dois, Rio de Jneiro, Kusts, V. I.; Ivnov, S. A.; Mystrenko, A. L. Condutividde de mteriis compósitos dimntdos com fronteir de seprção de fses defeituos. In: Superhrd Tools Mterils on the turn of the centuries: production, properties, pplictions 2001,

8 17º CBECIMt - Congresso Brsileiro de Engenhri e Ciênci dos Mteriis, de Novemro de 2006, Foz do Iguçu, PR, Brsil. Kiev, Ucrâni. Mterils of Intencionl Science nd Technology Conference, v. 1, p (em russo). 6. Ostinsky, T. D.; Pdo, A. P.; Shmeger, S. V. Influence o point defects on the therml conductivite of dimond single crystls: stte of the rt. Dimond nd relted mterils, 1993, nº 2, p PROJECT OF A DEVICE FOR THERMAL CONDUCTIVITY MEASUREMENT OF DIAMOND COMPOSITE MATERIALS WITH METALLIC BINDERS ABSTRACT The methodology nd the device for mesurement of the therml conductivity of high pressure dimond composites, mde in n intervl of temperture of 25 until 200 C, hd een considered. It ws presented the dependence etween the therml conductivity of the Dimond-SiC composite nd the temperture of the heting. The se of gotten results shows tht the experimentl dt, together with theoreticl clcultions of the therml conductivity of superhrd mterils composites, llow to evlute how perfect the mteril structure is. Key-words: dimond composite, inder, therml conductivity, inserts, driling devices.