Como se produz uma multicamada?

Transcrição

1 Produção de nanomateriais Como se produz uma multicamada? Equipa 15: Novembro de 2014 Catarina Teixeira Gonçalo Coelho Henrique Sá Inês Mimoso José Barros Maria Neves

2 Índice Resumo 3 Introdução 4 Teoria...5 Capítulo I 5 Nanomateriais.5 Capítulo II..7 Multicamadas..7 Métodos de produção..8 Aplicações.9 Parte Prática...10 Conclusão...12 Referências bibliográficas..13 2

3 Resumo O presente trabalho teve como principal objetivo a investigação de nanomateriais e a compreensão dos processos de produção de multicamadas. A partir de Alumínio (Al) e Cobre (Cu) foi produzida uma multicamada pelo método de deformação plástica severa, em que cada um dos filmes tem de espessura 0,5mm e 0,07mm, respetivamente. Como resultado final foi obtida uma multicamada composta por 6 ciclos de alumínio e cobre. A produção desta multicamada permitiu ao grupo concretizar a junção de filmes de diferentes elementos pelo processo de deformação plástica severa. 3

4 Introdução A nanotecnologia é a capacidade potencial de criar coisas a partir do mais pequeno, usando as técnicas e ferramentas que estão a ser desenvolvidas nos dias de hoje para colocar cada átomo e cada molécula no lugar desejado. [1]. Assim sendo, esta ciência está a ganhar um grande destaque na actualidade na medida em que permite uma nova gama de aplicações. As multicamadas são camadas alternadas de diferentes elementos que oferecem elevada resistência térmica, força entre outras propriedades. Possuem uma grande variedade de aplicações, nomeadamente a deteção de campos eletromagnéticos, ampliação e processamento de sinais, emissão de luz, armazenamento de informação, entre outras [5]. O alumínio é um metal que apresenta cor cinzenta. Tem boa resistência à corrosão atmosférica e elevada condutibilidade térmica e elétrica. O cobre é um metal macio, maleável e dúctil. Apresenta uma coloração avermelhada e é um excelente condutor de eletricidade. 4

5 Capítulo 1 Nanomateriais Os nanomateriais são pequenas partículas, como esquematizadas na fig.1, na ordem dos 10 9 metros (nanómetros), que apresentam as mais diversas funções e aplicações. Podem ser naturais, resultar de atividades humanas ou fabricados para fins específicos [1]. A nanotecnologia trouxe a capacidade de adaptação de materiais já conhecidos a novas funcionalidades, modelando apenas o seu tamanho. Isto é, podemos descobrir novas propriedades e novos materiais preparados através da modificação de materiais já conhecidos. Os processos físicos e as reações químicas ocorrem mais eficazmente nos nanomateriais, uma vez que, a razão entre a área e o volume aumentam, graças ao tamanho reduzido das suas partículas [2]. Fig 1 Modelo bi-dimensional de um sólido nanocristalino. Estes materiais estão presentes no nosso dia-a-dia nos mais variados produtos, como, por exemplo, nos alimentos, nos cosméticos, nos produtos eletrónicos e nos medicamentos. Além disso, estão na base do desenvolvimento de diversas áreas, assim como a medicina, a proteção ambiental e a eficácia energética, oferecendo também novas oportunidades em áreas já exploradas, nomeadamente a engenharia e a tecnologia da informação e comunicação [1]. 5

6 Alguns exemplos mais específicos são os nanotubos de carbono-fig.2- (constituídos por folhas de grafeno enroladas com diâmetros de dimensões nanométricas), os pneus- fig.3 - e as raquetes de ténis-fig.4 [3]. Fig.2 Esquema de um nanotubo de carbono. Fig.3 Pneus (uma das aplicações dos nanomateriais) Fig.4 Raquete de ténis (aplicação dos nanomateriais) Apesar dos nanomateriais possuírem muitas propriedades benéficas, os riscos dos mesmos para a saúde ainda são muito desconhecidos. Sendo assim, é importante gerir com especial precaução estes materiais. Para além disto, este tipo de partículas são termodinamicamente instáveis, o que faz com que seja um grande desafio preparar nanomateriais estáveis [3]. 6

7 Capítulo 2 Multicamadas A alternância de diferentes camadas compostas por diferentes elementos em dimensões extremamente reduzidas é chamada de multicamadas, como se encontra esquematizado na figura 5. Este conjunto de materiais oferece elevada resistência térmica e força, além de outras propriedades. São compostas pela alternância de filmes, figura 6, que são finas camadas de material depositado sobre substratos de qualquer natureza. Assim, estas possuem uma grande variedade de aplicações, nomeadamente a deteção de campos eletromagnéticos, ampliação e processamento de sinais, emissão de luz, armazenamento de informação, entre outras [4]. Fig. 5 Esquema de uma multicamada composta por filmes de Níquel e Cobalto. Fig. 6 Exemplo de um material onde se podem observar as várias camadas que compõem a multicamada. 7

8 Métodos de Produção As multicamadas podem ser produzidas através de diferentes processos, assim como: - Deformação plástica severa (ARB) Para os materiais metálicos, é definida como um processo de deformação mecânica em que elevadas deformações são impostas a uma peça, usualmente a uma temperatura inferior a 40% da temperatura de fusão do material de que é composta [5]. As principais vantagens são a simplicidade da técnica, a tecnologia associada, a produção de peças de grande dimensão, a inexistência de problemas associados à porosidade e a quase nula contaminação das peças por impurezas [6]. - Pulverização catódica É considerada uma das técnicas mais versáteis, que funciona tanto no laboratório como industrialmente [7]. Esta técnica pode ser definida como sendo um processo que ocorre quando são ejetados átomos e moléculas de uma superfície, como resultado do impacto de partículas de alta energia, que se depositam nas superfícies circundantes [8] - Electrodeposição - Deposição de materiais metálicos no estado puro num substrato condutor. Este processo é relativamente barato, tendo aplicabilidade industrial. [9] 8

9 Aplicações As multicamadas podem ter uma gama de aplicações muito grande, dependendo dos materiais utlizados, das espessuras dos filmes e do número de ciclos de que é composta a multicamada. Um exemplo de um aplicação é uma multicamada de TiAlNx, TiAlNxOy e SiO2. A produção desta multicamada teve como objetivo a absorção seletiva da luz solar. Assim, com os materiais utilizados é possível a criação de um sistema em que a absorção de radiação solar seja concretizada tanto devido à absorção intrínseca dos materiais, como por efeito de interferência de fase entre as camadas. [10] Outro exemplo são as multicamadas de Ni/Al e Ti/Al que, por produzirem grandes quantidades de calor na reação localizada entre as camadas, são utilizadas não só na indústria eletrónica, mas também no setor aeroespacial, aeronáutico e automóvel. É uma tecnologia de ligação promissora uma vez que permite a junção de materiais de forma direta (sem adição de solda) [11]

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11 Parte prática Objetivo Com a componente prática deste trabalho, pretende-se compreender a estrutura e processo de fabrico, por ARB, de uma multicamada. Para tal, foi produzido uma multicamada de Al e Cu, em que cada um dos filmes tem de espessura 0,5mm e 0,07mm, respetivamente. Material Filme de Al, 0,5mm; Filme de Cu, 0,07mm; Laminador; Lixa; Álcool; Alicate; Tesoura. Procedimento Para a produção da multicamada procedeu-se da seguinte forma: (1) Corta-se um filme de Al e outro de Cu com o mesmo comprimento; (2) Lixam-se os filmes; Fig. 7 Camada de alumínio a ser lixada. (3) Limpam-se os metais com álcool; (4) Sobrepõem-se o Al e o Cu; 10

12 (5) Com o alicate colocam-se no laminador os filmes; Fig. 8 laminador utilizado para a produção da multicamada (6) Corta-se o resultado do primeiro ciclo a meio; (7) Sobrepõem-se novamente as camadas Al Cu Al Cu; (8) Repete-se o processo até chegar ao sexto ciclo. Fig 9. Esquema de um dos ciclos da multicamada. Sobreposição das amostras dos dois metais, ainda por passar na laminadora Fig. 10 Esquema de uma multicamada. Fig.11 Multicamada produzida pelo grupo vista de cima. Fig.12 Vista lateral da multicamada produzida. 11

13 Conclusões Com a realização deste trabalho concluiu-se que a nanotecnologia é vista como um fator-chave de desenvolvimento de diferentes áreas, tendo variadas aplicações. O seu contributo é grande no nosso dia-a-dia, apesar dos seus riscos para a saúde serem ainda desconhecidos. Focando mais no tema central do nosso trabalho, depreendemos que as multicamadas podem ser produzidas a partir de diversos materiais e conforme a espessura e os elementos utilizados poderão ter diferentes aplicações. O método de deformação plástica severa é utilizado para a produção de multicamadas metálicas e tem um conjunto alargado de vantagens uma vez que permite a produção a grande escala e diminui a probabilidade de contaminação das peças por impurezas. 12

14 Referencias Bibliográficas: [1] Euroresidentes, Introdução á nanotecnologia. O que é a nanotecnologia?. Disponível em: vel/introducao_nanotecnologia.htm [Consultado em 23/09/2014] [2] Agência Europeia para a Segurança e Saúde no Trabalho, A gestão dos nanomateriais no local de trabalho. Disponível em: [Consultado em 16/10/2014] [3] A Schulz, Peter (2013) Nanomateriais e a interface entre nanotecnologia e ambiente. Disponível em: 7/78 [Consultado em 14/10/2014] [4] Zarbin, Aldo J. G. (2007) Química de (nano)materiais. Disponível em: [Consultado em 25/09/2014] [5] Carvalho da Silva, Suelanny (2012) Nanocompósitos à base de Pr2Fe14B/Fe-alfa para aplicações térmicas. Disponível em: [Consultado em 14/10/2014] [6] R. Z. Valiev e I. V. Alexandrov, Nanostructured materials from severe plastic deformation, Nanostructured Materials 12(1-4), (1999). [7] Milheiro, Francisco Aurelio Campos (2006) Produção e caracterização de pós compósitos nanoestruturados do metal duro wc-10co por moagem de alta energia. Disponível em: [Consultado em 29/09/2014] 13

15 [8] Simões, Sónia Luísa dos Santos (2010) Ligação por difusão no estado sólido de aluminetos de titânio revestidos com filmes finos multicamada. Disponível em: 21&locale=pt_PT&metadata_object_ratio=25&side_by_side=false&VIEWER_U RL=/view/action/singleViewer.do?&preferred_extension=pdf&DELIVERY_RULE _ID=5&frameId=1&usePid1=true&usePid2=true [Consultado em 29/10/2014] [9] Moutinho, Jorge David Ferreira (2011) Produção de Filmes Finos Multicamada Al/Ni por Eletrodeposição. Disponível em: [Consultado em 03/10/2014] [10] Soares, Sandra Branco (2012) Otimização das propriedades de barreira de um sistema em multicamada para absorção selectiva da luz solar. Disponível em: %20Soares.pdf [Consultado em 03/10/2014] 14