ISSN (Impresso) Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados

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1 ISSN (Impresso) Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados São José dos Campos SP 2015 Volume 4 Ago/2014 Jul/2015

2 2015 Instituto de Estudos Avançados IEAv Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. A publicação inclui os trabalhos apresentados no IV Simpósio de Ciência e Tecnologia (IV SCTI) do Instituto de Estudos Avançados, 03 e 04 de Agosto de Publicado por: Instituto de Estudos Avançados IEAv Endereço: Trevo Coronel Aviador José Alberto Albano do Amarante, n 1 - Bairro Putim CEP São José dos Campos - São Paulo - Brasil Tel. (12) / Fax. (12) Informações adicionais sobre o IEAv podem ser obtidos com a Assessoria de Comunicação Social ACS. Tel. (12) , Editores: Dr. Abel Antônio da Silva - ENU Dr. Ademar Muraro Junior - EFA Me. Bruno Ferreira Porto - EAH Dr. Fábio Dondeo Origo - EFO Dr. Felipe Leonardo Lobo Medeiros - EGI Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite - EST Ans.de C&T Bibliotecária Rosilene Maria de Mendonça - EICT Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados. - vol.4 (ago/2014 jul/2015) - São José dos Campos. IEAv, 2012 Anual ISSN Inclui: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados - IV SCTI IEAv/DCTA, 03 e 04 de Agosto de Iniciação Científica e Pós-Graduação Simpósio. 2. Pesquisa Científica. 3. Ciência e Tecnologia. 4. Desenvolvimento Tecnológico. 5. Inovação. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

3 IV SCTI 2015 IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Volume 4 Ago/2014 Jul/2015 São José dos Campos SP 2015 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

4 Instituto de Estudos Avançados IEAv Direção Cel Av Mauricio Pozzobon Martins Diretor do IEAv (EDR) Ten Cel Av Roberto da Cunha Follador Vice-Diretor do IEAv (VDR) Dr Osvaldo Catsumi Imamura Chefe da Subdiretoria Técnica (EDT) Ten Cel Av Roberto da Cunha Follador Chefe da Subdiretoria de Administração (EDA) Comissão Organizadora do SCTI Comissão Gestora PIBICTI Dr. Abel Antônio da Silva - ENU Dr. Ademar Muraro Junior (coordenador)- EFA Me. Bruno Ferreira Porto - EAH Dr. Fábio Dondeo Origo - EFO Dr. Felipe Leonardo Lobo Medeiros - EGI Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite - EST Comissão Científica Dr. Abel Antônio da Silva - ENU Dr. Ademar Muraro Junior (coordenador)- EFA Me. Bruno Ferreira Porto - EAH Dr. Fábio Dondeo Origo - EFO Dr. Felipe Leonardo Lobo Medeiros - EGI Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite - EST Realização Apoio Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

5 Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Volume SUMÁRIO EDITORIAL 9 IV SCTI 11 ALTERAÇÕES DAS CARACTERÍSTICAS DE SUPERFÍCIE DE AÇO TEXTURIZADO A LASER M. F. R. L. Souza, J. G. A. B. Simões, R. Riva, W. Miyakawa 13 APLICAÇÃO DE ÁRVORES ALEATÓRIAS DE RÁPIDA EXPLORAÇÃO NO PLANEJAMENTO DE TRAJETÓRIAS PARA VANTS L. M. Silva, M. M. De Marchi, F. L. L. Medeiros 18 APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE CASAMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS OBTIDAS POR VANT PARA IDENTIFICAÇÃO AUTOMÁTICA DE REFERÊNCIAS NO SOLO G. C. C. Silva, M. V. T. Monteiro, E. H. Shiguemori 24 AQUISIÇÃO DE DADOS NO ESTUDO DE UM MOTOR DE DETONAÇÃO PULSADA: INICIAÇÃO DA DETONAÇÃO C. C. B. Katata, V. B. B. Rodrigues, C. S. T. Marques 29 AVALIAÇÃO DE CORTE DE PLACAS DE AÇO INOX COM LASER DE CO 2 J. F. Azevedo, V. Teleginski, D. C. Chagas, J. C. G. Santos, G. Vasconcelos 33 AVALIAÇÃO DO CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO EM DIFERENTES ESPESSURAS A. Mello, A. J. Damião, F. Nascimento, J. Reis 37 AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL E ANÁLISE ELETROMAGNÉTICA DE FERRITAS DE COBALTO J. A. N. Ferreira, M. S. Amarante, A. C. C. Migliano 40 CÁLCULOS DAS ENERGIAS DE IONIZAÇÃO E DAS GEOMETRIAS DE ÓXIDOS DE METAIS DE TRANSIÇÃO E FRAGMENTOS DO GRAFENO I. V. Mariotti, A. C. A. Faria-Junior, F. B. C. Machado, O. Roberto-Neto 45 CALIBRAÇÃO DE IMAGENS UTILIZADAS EM CONTROLE DE ENSAIOS DE PROPRIEDADES MECÂNICAS I. K. L. Kam, R. H. M. Siqueira, R. Riva 50 CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO: ANÁLISE DA POROSIDADE PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DE SÍNTESE DA RESINA PRECURSORA L. C. G. Nagaki, A. J. Damião, J. F. R. Siqueira, F. Nascimento 56 DESENVOLVIMENTO DE UM PRÉ-PROCESSADOR PARA O PROGRAMA COMPUTACIONAL COBRA-EM R. E. Borges, F. A. Braz Filho 61 DETECÇÃO DE ASFALTO EM VIDEOGRAFIAS AÉREAS OBTIDAS POR VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADO F. B. Campos, M. Habermann, E. H. Shiguemori 65 ESTUDO DA DEPOSIÇÃO, A LASER, DE HIDROXIAPATITA EM ALUMÍNIO J. A. Magalhães, G. Vasconcelos, J. G. A. B. Simões, A. Capella, A. O. Lobo, W. Miyakawa 70 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE PARTÍCULA DE ZIRCÔNIA NO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO A LASER J. C. G. Santos, V. Teleginski, D. C. Chagas, J. F. Azevedo, A.C.C. Oliveira, G. Vasconcelos 75 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

6 ESTUDO E ADEQUAÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS DE ROTEAMENTO E SUAS EXTENSÕES PARA TRATAR CENÁRIOS DE VIGILÂNCIA DO ESPAÇO AÉREO E DE GERENCIAMENTO DE CRISE J. G. Ulian, M. J. Pinto 81 ESTUDO EXPERIMENTAL DE SENSOR ÓPTICO PARA INSPEÇÃO NÃO- DESTRUTIVA DE SOLDAS A LASER R. B. Marques, R. Riva, J. M. S. Sakamoto 86 INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE CATALISADORES SOBRE A MACROPOROSIDADE DO CARBONO VÍTREO J. C. Arisseto, F. D. Origo 92 INVESTIGAÇÃO DOS PARÂMETROS EXPERIMENTAIS DA CÂMERA PCO DIMAX D. Carinhana, L. M. Vialta 96 IRRADIAÇÃO A LASER DE REVESTIMENTOS NiCrAlY DEPOSITADOS VIA HVOF M. F. S. Ferreira, V. Teleginski, D. C. Chagas, G. Vasconcelos, A. C. C. Oliveira 98 METODOLOGIA DE MONTAGEM DE UM VANT DO TIPO VTOL PARA EXPERIMENTOS DE POUSO AUTÔNOMO M. E. L. Honorato, V. C. F. Gomes, L. H. M Dias, M. R. C. Aquino, D. Geraldo, F. L. L. Medeiros 102 PLATAFORMA DE TESTES DE SISTEMAS EMBARCADOS PARA PROCESSAMENTO DE IMAGENS EM TEMPO REAL V. S. Nunes, A.C. Xavier, P. F. Silva Filho, D. Roos, E. H. Shiguemori 108 PREPARAÇÃO DE EXPERIMENTOS E VÍDEOS DO LABORATÓRIO INTERATIVO DE CIÊNCIAS (LIC) A TÉCNICA SCHLIEREN L. M. Vaisset, V. H. Baggio-Scheid 113 PROCESSAMENTO DE COMPÓSITOS CERÂMICOS À BASE DE FERRITAS R. S. Xavier, M.S. Amarante, G. Vasconcelos, L. A. Genova, W. Alves, V. L. O. de Brito 117 PROCESSAMENTO DE IMAGENS PARA RECONHECIMENTO AUTOMÁTICO DE HELIPONTOS N. G. Lacerda, D. Geraldo, L. H. M. Dias, M. R. C. Aquino, M. E. L. Honorato, V. C. F. Gomes, F. L. L. Medeiros, Q. Eller 119 PROCESSAMENTO DE IMAGENS PARA UM SISTEMA ROBÓTICO COM CÂMERA D. M. Adamis, F. L. L Medeiros 124 PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS AO LONGO DA LINHA DE CORRENTE DE UM SCRAMJET A. M. Simões Neto, P. G. P. Toro 128 TERMOMETRIA EM CHAMAS UTILIZANDO A TÉCNICA DE ESPALHAMENTO RAYLEIGH A. E. O. Ferraz, L. G. Barreta 134 USO DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO DE PILOTO AUTOMÁTICO PARA GUIAMENTO DE VANT DO TIPO VTOL L. H. M. Dias, M. R. C. Aquino, M. E. L. Honorato, D. Geraldo, V. C. F. Gones, F. L. L. Medeiros 140 ANÁLISE DE REFLEXÃO EM MEDIDAS DE RESPONSIVIDADE INTEGRAL R. C. Lopes, A. B. P. Bizarria, T. G. Santos, R. Balena, G. S. Vieira 145 ANALYSIS OF THE CASIMIR FORCE IN A SILICON NANO-OPTO-MECHANICAL DEVICE J. R. Rodrigues, F. S. S. Rosa, V. R. Almeida 149 APLICAÇÃO DE ABORDAGENS AUTOCONSISTENTES PARA SIMULAÇÃO DE QWIPs D. D. Almeida, N. M. Abe, A. Passaro 153 AVALIAÇÃO DE MECANISMOS REACIONAIS PARA SIMULAÇÃO 2D DE UM MOTOR DE DETONAÇÃO PULSADA (PDE) V. B. B. Rodrigues, E. C. Maciel, C. S. T. Marques 159 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

7 AVALIAÇÃO NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE SEÇÃO RETA RADAR UTILIZANDO ESPECTRÔMETRO TERAHERTZ E ALVOS DE ESCALA REDUZIDA Y. F. R. Cardote, M. A. R. Franco 165 CARACTERIZAÇÃO ESPACIAL DE SISTEMA ELETRO-ÓPTICO TERMAL G. M. Lima Filho, R. C. F. Almeida, R. M. Castro, A. J. Damião 170 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL E MORFOLÓGICA DE FERRITAS NANOESTRUTURADAS DE CoFe 2 O 4 SINTETIZADAS POR REAÇÃO DE COMBUSTÃO P. C. F. Menezes, A. C. C. Migliano, V. C. S. Diniz, P. T. A. Santos, A. C. F. M. Costa 174 CHARACTERIZATION OF LASER IRRADIATED NiCrAlY COATINGS D. C. Chagas, V. Teleginski, J. C. G. Santos, J. F. Azevedo, A. C. C. Oliveira, G. Vasconcelos 176 DESENVOLVIMENTO DE ESTRUTURA MECÂNICA EM SENSOR A FIBRA ÓPTICA PARA APLICAÇÃO EM DETECÇÃO DE ÁUDIO L. S. Leandro, G. M. Pacheco 182 DESENVOLVIMENTO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE POR FOTOLITOGRAFIA EM CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO PRIMEIRA FASE A. Aumiller, F. Dondeo 187 DESENVOLVIMENTO DE SENSOR DE IONIZAÇÃO PARA TUBOS DE CHOQUE E DETONAÇÃO R. A. Cintra, T. C. Rolim, C. S. T. Marques 189 EFEITOS DAS CARACTERÍSTICAS DE UM FEIXE LASER NA EFETIVIDADE DE UM DIRCM D. A. Nunes, V. R. Almeida 194 ENHANCED TERAHERTZ TRANSMISSION THROUGH 3D NON-SPHERICAL TERAJETS A. L. S. Cruz, C. M. B. Cordeiro, M. A. R. Franco 198 ESTUDO DA CAPACIDADE DE SOBREVIVÊNCIA EM COMBATE DE UMA AERONAVE COM ÊNFASE NA REDUÇÃO DA ASSINATURA INFRAVERMELHA A. G. R. Werneck, R. A. T. Santos, J. E. B. Oliveira, F. Sircilli 203 ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE FULIGEM AO LONGO DE UMA CHAMA DIFUSIVA DE GLP C. F. Nunes, L. T. Tolomelli, L. G. Barreta, D. Carinhana Jr 209 ESTUDO ESTRUTURAL POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X EM FERRITAS DE Co 1- XCu X Fe 2 O 4, PARA APLICAÇÕES NA FAIXA DE FREQUÊNCIA DE RF A TERAHERTZ F. F. Araujo, M. S. Amarante, A. C. C. Migliano, P. C. F. Menezes, V. C. S. Diniz, A. C. F. M. Costa 213 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE PRENSAGEM NA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO J. F. R. Siqueira, A. J. Damião 215 INVESTIGAÇÃO DE PLIF EM ACETONA PARA USO EM TÚNEIS DE CHOQUE I. C. de Queiroz, A. C. de Oliveira, L. G. Barreta 219 LASER DEPOSITION OF ZIRCONIA COATINGS V. Teleginski, D. C. Chagas, J. C. G. Santos, J. F. Azevedo, A. C. C. Oliveira, G. Vasconcelos 221 MICROSCOPIA POR MODULAÇÃO DE FORÇA DE Mn 1-X Zn X Fe 2 O 4 : ANÁLISE DA DISPERSÃO DE PARTÍCULAS PELA FASE DE OSCILAÇÃO F. R. Daró, A. C. C. Migliano, P. C. F. Menezes, V. C. S. Diniz, A. C. F. M. Costa 227 MICROUSINAGEM A LASER UV PULSADO DE CARBONO VÍTREO UTILIZANDO MESA XYZ DE ALTA PRECISÃO A. Aumiller, F. Dondeo, N. A. S. Rodrigues 229 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

8 MODELO NUMÉRICO PARA O CÁLCULO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS DE DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE MÚLTIPLAS JUNÇÕES A. F. Pereira, G. S. Vieira, A. Passaro 235 PLANEJAMENTO E INSPEÇÃO DO TÚNEL DE PLASMA J. S. Guimarães, R. Moura, G. P. Filho, C. C. P. Rita 241 PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE FERRITA NiCo M. S. Hieda, J. P. B. Machado, V. L. O. de Brito 243 PROPOSTA DE UMA NOVA META-HEURISTICA BASEADA NO CICLO DE VIDA DE TARTARUGAS MARINHAS C. A. da Silva Junior, W. B. Saba, N. M. Abe, A. Passaro 245 THE PHOTOLUMINESCENCE OF A SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR QUANTUM DOT R. Y. Tanaka, E. C. F. da Silva, N. M. Abe, A. Passaro 250 TRANSFORMADA DE DISTÂNCIA APLICADA AO PLANEJAMENTO DE ROTAS PARA VANTs L. S. Cordeiro, M. J. Pinto, F. L. L. Medeiros 256 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

9 9 EDITORIAL O Instituto de Estudos Avançados (IEAv), inaugurado há 33 anos, tem como objetivos a pesquisa avançada e estratégica e a formação de recursos humanos qualificados. Dentro desta visão, a iniciação científica e tecnológica é considerada parte integrante das atividades do Instituto. Por meio dela, os alunos têm a oportunidade de entender e praticar o método científico, aperfeiçoar o seu espírito crítico e exercer a sua criatividade, aprender a trabalhar em equipe (aprender a respeitar os seus limites e os das pessoas ao seu redor), além de estimular os alunos de graduação a prosseguirem na carreira científica, ingressando em programas de pós-graduação. Desde a sua criação e por alguns anos, o IEAv conseguiu manter um quadro de pesquisadores em fase de formação, efetuando o pagamento de bolsas, com recursos da própria Instituição. Porém, a falta de uma visão científica de longo prazo, aliado a decisões políticas imediatistas, resultaram em grandes dificuldades, não apenas na manutenção dos projetos, como também no incentivo aos trabalhos de iniciação científica. Para solucionar este problema, alguns pesquisadores tentaram, individualmente, obter quotas institucionais de bolsas de iniciação científica, sem êxito. Em 2005, com uma participação maciça dos pesquisadores, solicitou-se novamente ao CNPq a concessão de quotas. No ano de 2006, o IEAv foi contemplado com 10 quotas de bolsas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Cientifica (PIBIC) e nesses últimos anos houve um aumento progressivo das quotas de bolsas, atingindo em 2014 um total de 30 bolsas, sendo 04 cotas de bolsas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (PIBITI). Para satisfazer as exigências de avaliação do programa de iniciação científica pelo CNPq, foi realizado em 2007 o I Seminário de Iniciação Científica do IEAv. Pelo interesse dos pesquisadores da instituição, percebeu-se que a realização deste evento era muito maior do que apenas mobilizar os alunos que possuíam bolsas institucionais de iniciação científica do PIBIC-CNPq. Houve interesse de vários alunos que desenvolveram atividades de iniciação científica no IEAv e também dos alunos que cursavam a pós-graduação no Instituto, incentivados por outros órgãos de fomento ou mesmo por voluntariedade. Como se tratava de um evento exclusivo de iniciação científica, somente no ano de 2009 passou-se a receber as contribuições dos alunos de pós-graduação do Instituto. Em virtude do grande número de alunos de pós-graduação e também pelo fato da aprovação da Pós-Graduação no IEAv, com início no primeiro semestre de 2012, atualmente o SCTI engloba não só os trabalhos dos alunos do programa PIBIC-PIBITI/CNPq, mas também os alunos de outros programas de iniciação científica e da pós-graduação do Instituto. A realização de mais um ano do evento demonstra a grande responsabilidade com a manutenção e a condução do PIBIC-PIBITI, das outras iniciações científicas e da pósgraduação nesta Instituição. A Comissão agradece o apoio recebido da Direção do Instituto, das comissões internas e externas envolvidas neste processo e das agências de fomento e empresas que possibilitaram a realização deste IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv. Comissão Organizadora do IV SCTI Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p. 9, 2015

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11 11 IV SCTI Esta é a quarta edição do Simpósio de Ciência e Tecnologia (IV SCTI) do IEAv, que acontece em São José dos Campos, São Paulo, nos dias 03 e 04 de agosto de O IV SCTI 2015 tem como objetivo apresentar e discutir com a comunidade, os trabalhos desenvolvidos pelos alunos de graduação de diversas universidades e da pós-graduação do IEAv, junto aos projetos da Instituição. O evento será composto por palestras de curta duração, nas quais serão apresentados os trabalhos de pesquisa cientifica e tecnológica desenvolvidos pelos alunos durante o ano. Haverá também uma sessão de pôsteres, onde serão expostos estes trabalhos, com o objetivo de uma melhor integração entre os autores e pessoas interessadas nos temas. Os trabalhos deste quarto volume são resultados dos projetos de iniciação científica, iniciação tecnológica e pós-graduação, desenvolvidos por alunos ligados as universidades da região do Vale do Paraíba, dentro das áreas de atuação da Instituição: Aerotermodinâmica e Hipersônica, Energia Nuclear, Física Aplicada, Fotônica e Geointeligência. Este volume dos Anais do IV SCTI está em formato eletrônico, com distribuição online, disponível na página Algumas cópias impressas serão confeccionadas e arquivadas em bibliotecas, a fim de manter o mesmo registro do caderno de publicações junto ao Centro Brasileiro do ISSN (CBISSN). Foram publicados 55 trabalhos, entre resumos e completos, sendo 28 do programa PIBIC-PIBITI/CNPq e 27 de outros programas de iniciação científica e de pós-graduação. Os organizadores esperam que o IV SCTI possa oferecer à comunidade científica do IEAv, em especial aos alunos que desenvolvem trabalhos de iniciação científica e pós-graduação, um evento agradável, no qual se possa conhecer uma parcela da pesquisa realizada atualmente na Instituição. Comissão Organizadora do IV SCTI Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p. 11, 2015

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13 13 ALTERAÇÕES DAS CARACTERÍSTICAS DE SUPERFÍCIE DE AÇO TEXTURIZADO A LASER M. F. R. L. Souza 1,2*, J. G. A. B. Simões 2, R. Riva 2, W. Miyakawa 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo O objetivo deste trabalho foi gerar microestruturas periódicas em amostras de aço 304 laminado e extrudado, e caracterizálos, comparativamente. Para isso, discos de ambos os tipos de aço foram preparados e texturizados com um laser de Nd:YAG. Microestruturas de aço austenítico foram observadas nas amostras controle de ambos os tipos, porém com menor quantidade de poros no aço laminado. Nas amostras texturizadas, estruturas periódicas, com espaçamento de 1,0 m e 530 nm, foram identificadas. Essas novas microestruturas obstruíram parcialmente os poros do aço extrudado, e, totalmente, os do laminado. A microdureza dos grupos controle e laser, do aço extrudado, e laser, do aço laminado foram semelhantes. Somente o grupo controle do material laminado teve valor ligeiramente maior. A hidrofobicidade também foi semelhante em todos os grupos, mostrando que a texturização não é suficiente para modificar a molhabilidade. A próxima etapa será verificar se a texturização aumenta a resistência à biocorrosão. Palavras-chave: Laser, Aço, Dureza, Biocorrosão. 1. Introdução Existem diversos tipos de processos de conformação de materiais, entre eles, o de laminação e o de extrusão. A laminação [citado por BRESCIANI Filho, 1997] se dá através da passagem de uma peça através de dois cilindros, estes giram em sentido contrário e à mesma velocidade periférica. A peça apresenta uma dimensão maior do que a distância entre as superfícies laterais dos cilindros, com isso, ela sofre uma deformação plástica, tendo sua secção transversal reduzida e seu comprimento e largura aumentados. Submete-se a peça, por diversas vezes, a passar por esses cilindros, sempre diminuído a distância entre eles, com o intuito de obtenção de uma determinada dimensão. Já a extrusão[citado por BRESCIANI Filho, 1997] consiste em um processo no qual um tarugo, de secção circular, é colocado dentro de uma câmara, e forçado a passar através de uma abertura existente no meio da ferramenta, por meio de um pistão hidráulico ou pneumático. A literatura [citado por BRESCIANI Filho, 1997] reporta que o maior custo de aquisição de equipamento, limitação de comprimento de perfil, menor velocidade de trabalho e menor uniformidade de deformação ao final do processo são algumas das desvantagens do processo de extrusão quando comparado ao de laminação. Dando continuidade ao projeto anterior, o objetivo deste trabalho foi induzir a formação de texturas (microestruturas periódicas) em amostras de aço 304 laminado e caracterizar comparativamente às amostras de aço extrudado. Oportunamente, será avaliado se as alterações nas propriedades de superfícies de aço, induzidas pela texturização a laser, promovem o aumento de resistência do material à corrosão gerada por microorganismos. 2. Materiais e Métodos As amostras de aço 304 laminado foram preparadas da mesma forma que as de aço 304 extrudado, conforme já descrito em trabalho anterior [citado por Souza, 2014]. 2.1 Texturização a laser A texturização a laser foi feita em 20 corpos de prova, utilizando um laser pulsado de Nd:YAG (Coherent, Inc., mod. Corona), emitindo em segundo harmônico (532 nm), acoplado a um sistema ScanHead, com os mesmos parâmetros de irradiação já utilizados anteriormente (potência média de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

14 14 28 W, velocidade de varredura de 50 cm/s e amostra a 27 cm da lente de focalização) [citado por SOUZA, 2014]. 2.2 Microscopias As análises por microscopia eletrônica de varredura foram feitas no microscópio Tabletop Hitachi TM3000, do Laboratório de Desenvolvimento de Aplicações de Lasers e Óptica - DEDALO, do IEAv, e a microscopia de força atômica, no microscópio Shimadzu SPM 9500J3, do Laboratório de Plasmas e Processos, do ITA. 2.3 Ensaio de microdureza Vickers As medidas de microdureza Vickers (Future Tech, mod. Microhardness Tester FM700) do material foram feitas em cinco pontos por amostra, de três amostras de cada grupo, utilizando carga de 50 gf, aplicada durante um tempo de 15 segundos. Os dados foram submetidos a análises estatísticas. 2.4 Ensaio de molhabilidade A avaliação da molhabilidade superficial das amostras foi feita em três amostras de cada grupo de aço laminado, e três amostras de cada grupo de aço extrudado, a partir do método da gota séssil. Para isso, utilizou-se um goniômetro ramé-hart instrument co., mod. 500, do Laboratório de Plasmas e Processos, do ITA. Com o software de análise de imagens do próprio equipamento, determinou-se o ângulo de contato, à temperatura ambiente, de um volume de água destilada e deionizada de 3 l de volume. 2.3 Análises estatísticas As grandezas medidas foram submetidas ao teste de normalidade de Shapiro-Wilk, com intervalo de confiança de 95% (p=0,05), e as médias foram comparadas por análise de variância paramétrica (ANOVA um critério, p=0,05). 3. Resultados e Discussão 3.1 Caracterização microestrutural A Figura 1a mostra uma micrografia eletrônica de varredura típica de superfície do aço 304 extrudado, do grupo controle. Observam-se claramente os contornos de grãos e de maclas de recozimento do aço austenítico, além da presença de uma grande quantidade de poros. Já a Figura 1b mostra a micrografia eletrônica de varredura típica da superfície do aço 304 laminado. Também se observam contornos de grão e maclas de recozimento, já vistas anteriormente, porém, o tamanho e o número de poros é, nitidamente, menor. (a) (b) Fig. 1. Micrografia eletrônica de varredura da superfície da amostra controle do aço 304 (a) extrudado e (b) laminado. Na Fig. 2, a micrografia revelou que a topografia e a morfologia das amostras do grupo laser foram totalmente alteradas. Contornos de grãos e maclas não são mais tão facilmente visíveis, tanto para a amostra do aço extrudado (Fig. 2a) quanto a do laminado (Fig. 2b). Observa-se, agora, a presença das microestruturas periódicas geradas pelo laser. São ondulações, com comprimento de onda de 1,0 m, permeando regiões mais escuras. Nessas regiões mais Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

15 15 escuras, percebe-se um segundo tipo de microestrutura periódica, com comprimento de onda da ordem de 530 nm. Também pode ser notado que a texturização não obstruiu os poros do material extrudado (Fig. 2a), porém no material laminado (Fig. 2b), não é mais possível a observação dos poros. largura na região de femtosegundos[citado por BIZI-BANDOKI, 2011] [nm] um x um (a) 0.00 (a) [nm] (b) Fig. 2. Micrografia eletrônica de varredura de uma amostra texturizada a laser de aço 304 (a) extrudado, e (b) laminado. A Figura 3 apresenta micrografias de força atômica. Nessas imagens, fica mais evidente que, em ambos os tipos de aço, houve a formação do segundo tipo de microestruturas periódicas, com comprimento de onda da ordem de 530 nm e alturas entre 24 nm e 26 nm. Essa geração simultânea de microestruturas periódicas em escala micro- e submicrométrica (ou nanométrica), também conhecida como LIPSS Laser Induced Periodic Surface Structures, já foi observada por outros autores, que utilizaram laser com pulsos de um x um 0.00 (b) Fig. 3. Micrografia de força atômica de (a) uma amostra de aço 304 extrudado e (b) de aço 304 laminado, ambas texturizadas a laser. 3.2 Ensaio de dureza Os valores de microdureza Vickers, tanto para as amostras do grupo controle (17428 HV) quanto para as amostras do grupo laser (17910 HV) do extrudado, não tinham apresentado diferença estatística significante, para p=0,05. Porém, os valores obtidos para as amostras do grupo controle (33536 HV) e grupo laser (18914 HV) do laminado apresentaram diferença estatística significativa. De acordo com a literatura, amostras de aço 304, sem tratamento, possuem microdureza Vickers, medida nas mesmas condições (carga de 50 gf, tempo de 15 segundos) em torno de 220 HV [citado Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

16 16 por Jin, 2013]. Acreditamos que, para o aço extrudado, a grande quantidade de poros observados deve ter contribuído para reduzir a resistência que o material oferece à indentação. Para o alumínio, o processo de conformação por laminação aumenta a dureza do material [citado por MELHORANDO, 2015]. Se tal fato também ocorre no aço, isso justificaria a diferença observada na microdureza das amostras do grupo controle entre os materiais de diferentes tipos de conformação. O aspecto relevante é que, após a texturização a laser, os valores de microdureza do aço extrudado e do aço laminado não apresentaram diferença estatística significativa. A formação de LIPSS requer a fusão de uma fina camada da superfície do aço e o processo hidrodinâmico associado, em que ocorre a interação de ondas mecânicas do metal fundido com a onda plana eletromagnética da radiação laser é o mesmo, tanto para o aço extrudado quanto para o laminado. Os átomos e moléculas da superfície do metal devem sofrer um rearranjo, acomodando-se de forma semelhante, uma vez que as microestruturas periódicas formadas em ambos os aços são, praticamente, idênticas. Este rearranjo deve ser responsável pela equiparação dos valores de microdureza. 3.3 Ensaio de molhabilidade As análises estatísticas dos valores de ângulo de contato mostraram que não há diferença estatística significante entre as médias das amostras de aço 304 quando comparamos as amostras controle do aço extrudado (97,10,84) com as do aço laminado (96,16). Também não houve diferença estatística entre as amostras que sofreram texturização a laser dos aços extrudado (93,82,9) e laminado (96,112). Porém, de acordo com a literatura, lixamento e polimento aumentam a hidrofobicidade [citado por NASCIMENTO, 2009], o que é um fator significativo para prever se a aderência de biofilme é termodinamicamente favorável [citado por SINDE e CARBALO, 2000]. Nossos resultados sugerem que, embora o material continue hidrofóbico, pois os ângulos de contato obtidos foram maiores do que 90, as características morfológicas e topográficas das microestruturas periódicas formadas nas superfícies dos dois tipos de aço não foram suficientes para alterar o ângulo de contato. 4. Conclusões Amostras de aço 304, de dois diferentes tipos de conformação, o de extrusão e laminação, foram analisadas comparativamente, em relação ao processo de texturização a laser. Foi possível verificar que a dureza do material depende do processo de conformação pelo qual ele passou, apresentado, nos grupos controle, maior dureza no laminado do que no extrudado. Depois de passar pelo processo de texturização a laser, o aço laminado teve sua dureza diminuída para um valor equivalente ao do aço extrudado, sugerindo que o processo de formação de LIPSS confere uma redistribuição no arranjo atômico de superfície. Porém, as microestruturas periódicas formadas nos dois tipos de aço não foram suficientes para alterar o nível hidrofóbico do material em relação aos grupos controle dos dois tipos de aço. A próxima etapa deste projeto será verificar se essa texturização tem alguma influência na resistência dos metais contra a biocorrosão. Agradecimentos Ao PIBIC-PIBIT/IEAv-CNPq, pela bolsa de iniciação científica concedida (processo /2013-0), e à FAPESP, processo 2014/ Referências BRESCIANI Filho, E. et al. Conformação Plástica dos Metais. Campinas: Editora da Unicamp, 1997 (5a. edição), 383p. SOUZA, M. F. R. L., Caracterização microestrutural de superfície de aço texturizada a laser, Relatório Parcial de Iniciação Científica CNPq PIBIC/IEAv 2013/2014, processo n o / SOUZA, M. F. R. L., Caracterização microestrutural de superfície de aço texturizada a laser, Relatório Final de Iniciação Científica CNPq PIBIC/IEAv 2013/2014, processo n o / Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

17 17 BIZI-BANDOKI, P. et al. Modifications of roughness and wettability properties of metals induced by femtosecond laser treatment. Appl. Surf. Sci., v. 257, p , JIN, X. et al. Characterization of wear-resistant coatings on 304 stainless steel fabricated by cathodic plasma electrolytic oxidation. Surf. Coat. Techn. 236, 22 28, MELHORANDO as propriedades do alumínio. (Apostila), Instituto Federal de Santa Catarina. Disponível em: https://wiki.ifsc.edu.br/mediawiki/images/8/8f/aula_ 12.pdf, acessado em 15/05/2015. NASCIMENTO, A. E. G. do. Avaliação da molhabilidade de soluções de tensoativo em aço inoxidável f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal/RN. e Nutrição, v. 20, n.3, p , SINDE, E.; CARBALLO, J., Attachment of Salmonella spp and Listeria monocytogenes to stainless steel, rubber and polytetrafluorethylene The influence of free energy and the effect of commercial sanitizers. Food Microbiology, v. 17, n.4, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

18 18 APLICAÇÃO DE ÁRVORES ALEATÓRIAS DE RÁPIDA EXPLORAÇÃO NO PLANEJAMENTO DE TRAJETÓRIAS PARA VANTS L. M. Silva 1, M. M. De Marchi 2*, F. L. L. Medeiros 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Atividades Gerais, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho aborda o planejamento automático de rotas de navegação para Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs), com um ambiente de navegação definido por um modelo digital de elevação. Uma rota de navegação é a estrutura através da qual uma trajetória segura e dinamicamente viável é criada por meio das restrições cinemáticas e dinâmicas do VANT. Rotas de navegação podem ser planejadas através da aplicação de métodos de busca em grafos. O objetivo deste trabalho é a aplicação de árvores aleatórias de rápida exploração, tradução de Rapidly-exploring Random Trees (RRTs), no problema de planejamento de rotas mencionado. Rotas planejadas através de RRTs são apresentadas neste trabalho. Alguns destes resultados são comparados com uma rota planejada com a aplicação do algoritmo Dijkstra, considerando amostragens do mesmo ambiente de navegação representadas por um grafo de visibilidade. Palavras-chave: ÁRVORES ALEATÓRIAS DE RÁPIDA EXPLORAÇÃO, PLANEJAMENTO AUTOMÁTICO DE ROTAS, MODELOS DIGITAIS DE ELEVAÇÃO. 1. Introdução Um dos principais focos das pesquisas relacionadas a Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) é o aumento de autonomia destes veículos, que consiste na diminuição do grau de dependência do VANT de operadores, transferindo parte do processo de tomada de decisão do operador para o próprio veículo. O cálculo ou planejamento automático de rotas de navegação é essencial para a implementação da maioria das novas capacidades pretendidas com o aumento da autonomia de VANTs. Uma rota de navegação para um VANT é a estrutura através da qual uma trajetória segura e dinamicamente viável é criada por meio das características cinemáticas e dinâmicas do veículo. Uma rota é transformada em uma trajetória de navegação através da aplicação de métodos de suavização como, por exemplo, as curvas de Dubins (Dubins, 1957) e as curvas de Bézier (Neto, 2010). Rotas de navegação podem ser planejadas através da aplicação de métodos de busca em grafos como, por exemplo, o algoritmo Dijkstra (Dijkstra, 1959) e o algoritmo A* (Hart, 1968). Estes grafos são constituídos por nós que são posições de navegação obtidas por amostragens das regiões navegáveis de um ambiente de navegação. Grafos de visibilidade, roadmaps e diagramas de Voronoi generalizados são exemplos destes grafos (Medeiros, 2012). Um exemplo de uma rota e um exemplo de uma trajetória planejada através desta rota são apresentados na Figura 1. Nesta figura, os polígonos pretos representam obstáculos à navegação do veículo. A rota de navegação é apresentada na cor azul e a trajetória na cor vermelha. (a) (b) Fig. 1. Exemplos de uma (a) rota de navegação e de uma (b) trajetória segura e dinamicamente viável, planejadas através de um grafo de visibilidade reduzido. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

19 19 Árvores aleatórias de rápida exploração (Lavalle, 2006)(Lavalle, 1998), tradução de Rapidly-exploring Random Trees (RRTs), são métodos que também podem ser usados no planejamento automático de rotas. Este trabalho tem como objetivo a aplicação de RRTs ao planejamento de trajetórias para VANTs, considerando o ambiente de navegação definidos por modelos digitais de elevação. A Seção 2 deste artigo descreve o método RRT. Na Seção 3 são apresentados alguns resultados obtidos com a aplicação do método RRT. Na Seção 4 são apresentadas algumas observações sobre o projeto em desenvolvimento. 2. Método RRT Uma RRT é uma combinação de um grafo na forma de uma árvore, com um método simplificado de busca. O nó raiz da árvore é a posição inicial da rota a ser planejada. O funcionamento de uma RRT clássica ou padrão consiste em expandir a árvore de modo aleatório a partir de seu nó raiz até que um determinado número de iterações seja alcançado. A expansão da árvore corresponde a uma amostragem das regiões navegáveis do ambiente de navegação. Um exemplo de RRT é apresentado na Figura 2. Fig. 2. Exemplos de árvores geradas usando o método RRT, variando o número de interações (K). (Lavalle, 1998). Algumas características promissoras das RRTs são (Lavalle, 1998): a expansão de uma RRT é fortemente direcionada para espaços menos explorados do ambiente de navegação; pode ser usada em ambientes de navegação com quaisquer dimensões; pode ser utilizada em ambientes com obstáculos não convexos; uma RRT é probabilisticamente completa; uma RRT pode ser adaptada como um método de planejamento de rotas. O algoritmo de construção de uma RRT é apresentado na Tabela 1. Neste trabalho, este algoritmo foi implementado na linguagem de programação C. Os gráficos foram implementados usando a biblioteca gráfica e computacional denominada OpenGL. Tab. 1. Algoritmo para a construção de uma RRT. Etapas Descrição 1 inserir a raiz qinit na árvore G 2 para k=1 até K faça 3 q rand RAND_CONFIG(C) 4 q near NEAREST_VERTEX(q rand,g) 5 q new NEW_CONF(q near, q) 6 inserir o nó q new na árvore G 7 inserir a aresta que une q near a q new na árvore G 8 retornar a árvore G No algoritmo de construção de uma RRT: G é o grafo que representa a árvore RRT; K é o número máximo de iterações do algoritmo; q init é uma posição que corresponde à raiz da árvore; q rand é uma posição gerada aleatoriamente no espaço C; q near é o nó da árvore mais próximo da posição q rand ; q new é um novo nó da árvore gerado no segmento de reta que une q near a q rand, e cuja distância em relação a q near é igual a q; RAND_CONF é uma função que gera aleatoriamente uma posição contida no espaço C, tal que o segmento de reta q q near, new não deve interceptar qualquer obstáculo contido em C; NEAREST_VERTEX é uma função que retorna o nó q near mais próximo de q rand ; e NEW_CONFIG é uma função que gera q new seguindo as restrições descritas anteriormente. Neste trabalho, cada espaço C é a representação computacional bidimensional de um ambiente de navegação, que é delimitado por duas posições geográficas: a primeira posição inferior à esquerda (posição delimitadora inicial); e a última posição superior à direita (posição delimitadora final). Foi utilizado um ambiente definido pelo modelo digital de elevação apresentado na Figura 3, que usa o datum WGS84 (World Geodetic System, 1984) como modelo matemático teórico da representação da superfície da Terra. Todos os ambientes de navegação são matrizes Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

20 20 binárias, em que as células com valor 1 indicam obstáculos à navegação do veículo. No ambiente de navegação da Figura 5b, os obstáculos são definidos considerando uma altitude de corte de 1200 m. Isto significa que toda célula do modelo digital de elevação com valor superior ou igual a 1200 m corresponde a uma célula obstáculo do ambiente de navegação. Deste modo, na utilização deste ambiente para o planejamento de rotas para um VANT, a altitude de navegação do VANT pode ser especificada como sendo igual a soma da altitude de corte com uma altura de segurança. Este ambiente de navegação é uma matriz quadrada de ordem Cada célula corresponde a uma região real com 90 m de largura por 90 m de comprimento. O ambiente de navegação é delimitado pelas posições geográficas lat long , e inf, inf long , lat. sup, sup (a) (b) Fig. 3. (a) Modelo digital de elevação e (b) ambiente de navegação criado através do modelo de elevação, considerando uma altitude de 1200 metros Método RRT para o Planejamento de Rotas Em problemas de planejamento de rotas, as RRTs são adaptadas de modo que a expansão ocorra até que um de seus nósfolha seja criado a uma distância da posição final menor ou igual a um limiar l d. Quando isto ocorre, a posição final é incluída na árvore através de uma conexão com o nófolha mais próximo, isto é, o nó-folha que alcançou a distância. Cada nó possui informação de seu nó antecessor. A rota é então traçada da posição final até a posição de origem e depois invertida. Assim, a adaptação do método RRT para o problema de planejamento de rotas consiste em quatro principais alterações: verificar se a distância euclidiana entre a posição do ambiente de navegação correspondente a q new e a posição de destino q dest é menor ou igual a um limiar l d ; inserir q dest como um novo nó da RRT se a distância mencionada dqnew, qdest ld ; utilizar esta distância como condição de parada do algoritmo, substituindo a condição de parada do algoritmo baseada no número máximo de iterações K; e gerar a rota de navegação. O procedimento de criação da rota de navegação consiste na utilização de uma estrutura de dados pilha para o armazenamento das posições da rota. Cada nó possui informação sobre seu nó antecessor. Assim, começando-se o empilhamento pelo nó destino q dest, é possível criar uma rota no formato de pilha, sendo que o topo da pilha é a posição de origem da navegação, isto é, q init. O algoritmo de uma RRT para o planejamento de rotas é apresentado na Tabela 2. No algoritmo para planejamento de rota: s é a variável booleana correspondente a condição de parada da RRT modificada; d é a função que mede a distância euclidiana entre o ponto q new e q dest ; R é uma estrutura do tipo pilha, sendo que o topo da pilha é a posição de origem da navegação, isto é, q init. Tab. 2. Algoritmo para o planejamento de rotas através de uma RRT Etapas Descrição 1 inserir a raiz q init na árvore G 2 s 0 3 enquanto s = 0 faça 4 q rand RAND_CONFIG(C) 5 6 q near NEAREST_VERTEX(q rand,g) q new NEW_CONF(q near, q) 7 inserir o nó q new na árvore G 8 inserir a aresta que une q near a q new na árvore G d q, q l faça 9 se new dest d 10 inserir o nó q dest na árvore G 11 inserir a aresta que une q new a q dest na árvore G 12 s 1 3. Resultados e Discussão Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

21 21 Um conjunto de experimentos de planejamento de rotas foi realizado com a aplicação do método RRT implementado neste trabalho. Os experimentos foram feitos considerando-se q definido por Em que: 0,1 (1) p é uma porcentagem; long inicial e long final são, respectivamente, a menor e a maior longitude do ambiente de navegação. Primeiramente foram realizados testes em um ambiente artificial com fito de de testar e observar o comportamento do algoritmo de planejamento de rota em um labirinto. As rotas planejadas e apresentadas na figura 5 possuem as seguintes extensões/comprimentos, numero de nós e tempo gasto: rota da Figura 5a com extensão de ,7 metros, 3138 nós e 5.66 segundos; rota da Figura 5b com extensão de metros, 2828 nós e 5.85 segundos; rota da Figura 5c com extensão de metros, 1511 nós e 3.32 segundos; e rota da Figura 5d com extensão de metros, 418 nós e 1.19 segundo. Analisando estes resultados, pode-se verificar que há uma tendência da redução de Δq causar a redução da extensão da rota. Entretanto, a redução do Δq tende a reduzir a área explorada em cada iteração, o que pode causar o aumento do tempo de execução da implementação do algoritmo, pois há a necessidade da criação de um número maior de nós-folha para explorar o ambiente de navegação. (a) Fig. 4. Rotas planejadas com RRTs, em ambiente artificial Alguns resultados da aplicação de RRT ao planejamento automático de rotas são apresentados na Figura 4. Nesta figura, os obstáculos do ambiente de navegação são representados pelos polígonos na cor preta. A RRT é apresentada na cor cinza e as rotas na cor vermelho. A complexidade computacional do algoritmo RRT implementado neste trabalho é O n 2 pn n c, em que nn é o número de nós da RRT, que tende a aumentar a cada iteração, e n c é o número de colunas do modelo digital de elevação. É importante ser mencionado que a complexidade computacional pode ser reduzida com a utilização de um método mais eficiente para calcular o nó q near. Após a execução do algoritmo de uma RRT para o planejamento de rotas, cada rota é simplificada com uma técnica de verificação de visibilidade, eliminando nós desnecessários da pilha R. (b) (c) (a) Fig. 5. Rotas planejadas com RRTs, considerando: (a) p=0.01 (b) p=0.02 (c) p=0.03 (c) p=0.05 Uma maneira de analisar o comprimento de uma rota planejada pela RRT entre duas posições de um ambiente de navegação é compará-la com o comprimento da rota de menor extensão possível planejada entre as mesmas posições. Neste trabalho, a rota de menor comprimento possível é denominada solução ótima do problema de planejamento de uma rota entre duas posições de um ambiente de navegação. Um meio de (b) (d) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

22 22 calcular a solução ótima deste problema é a combinação do algoritmo de Dijkstra (Dijkstra, 1959) com grafos de visibilidade (Medeiros, 2012). O algoritmo de Dijkstra é um método que permite a solução ótima do problema de menor caminho ou rota entre dois nós de um grafo. Um grafo de visibilidade consiste em uma amostragem das regiões navegáveis de um ambiente de navegação. Cada nó corresponde a uma posição definida pelo vértice convexo de um obstáculo do ambiente de navegação. Os nós são conectados por arestas que não interceptam qualquer obstáculo. Um grafo de visibilidade possui a característica de sempre permitir o planejamento da rota de menor comprimento entre duas posições quaisquer de um ambiente de navegação, desde que tais posições não estejam completamente isoladas pelos obstáculos. A Figura 6 apresenta um exemplo de rota de menor extensão planejada pelo algoritmo de Dijkstra com o ambiente de navegação representado por um grafo de visibilidade. Estas rotas foram planejadas entre as posições geográficas lat init, long init 22.99, e lat, 22.05, dest long dest Fig. 6. Exemplo de uma rota de menor extensão planejada através da aplicação do algoritmo Dijkstra a um grafo de visibilidade. A rota na figura 6 possui a extensão de metros. Neste exemplo, os nós e arestas do grafo de visibilidade estão na cor cinza. A fina camada na cor branca em torno dos obstáculos é uma envoltória de segurança, com uma espessura de 400 metros. Esta envoltória permite uma distância de segurança entre os obstáculos e os nós e arestas do grafo de visibilidade. A complexidade computacional do método empregado neste trabalho para a construção de uma grafo de visibilidade é O n 2 vmáx nl, nc (Medeiros, 2012), em que n v é o número de vértices convexos de obstáculos do ambiente de navegação, e n l e são o número de linhas e n c o número de colunas do modelo digital de elevação, respectivamente. O grafo da Figura 6 possui 3920 nós e arestas. Este grafo foi construído em segundos. Devido ao elevado custo computacional para construção de um grafo de visibilidade através de modelos digitais de elevação, estes grafos não são eficientes quando há a necessidade de remodelagem do ambiente de navegação e necessidade de replanejamento de uma rota em tempo real. Comparando as rotas planejadas pelas RRTs com a solução ótima planejada pela combinação Dijkstra/grafo de visibilidade, pode-se perceber que as RRTs são uma interessante alternativa para o problema de replanejamento de rotas quando há alteração do ambiente de navegação, isto é, quando há a necessidade da aquisição de uma nova amostragem das regiões navegáveis do ambiente. Apesar de não garantirem a solução ótima, permitem o planejamento de rotas em tempo expressivamente inferior que o tempo necessário para o planejamento através da fusão Dijkstra/grafo de visibilidade, considerando o custo de construção do grafo de visibilidade. navegação e de alturas de segurança. Também será utilizado o método RRT*, que consiste em uma melhoria de uma RRT, visando ao planejamento de rotas menos extensas. 4. Conclusões Através dos resultados apresentados na Seção 3, verifica-se que é possível planejar rotas de navegação para VANTs através da aplicação de RRTs com ambientes de navegação definidos por modelos digitais de elevação. Embora uma RRT não assegure o planejamento de rotas com a menor extensão Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

23 23 possível, ela pode ser utilizada de modo satisfatório para o replanejamento de trajetórias, quando há remodelagem do ambiente de navegação. Assim, pode-se concluir que o objetivo deste trabalho foi alcançado. Como trabalhos futuros, serão utilizados outros ambientes de navegação definidos por diferentes modelos digitais de elevação e por diferentes configurações de altitudes de navegação e de alturas de segurança. Também será utilizado o método RRT*, que consiste em uma melhoria de uma RRT, visando ao planejamento de rotas menos extensas. Agradecimentos Ao PIBIC-PIBIT/IEAv-CNPq, pela bolsa de iniciação científica concedida. Referências DIJKSTRA, E. A note on two problems in connection with graphs. Numerische Mathematik, v. 1, p , DUBINS, L. On Curves of minimal length with a constraint on average curvature, and with prescribed initial and terminal positions and tangents. American Journal of Mathematics, n. 79, p , HART, P. NILSSON, N. RAPHAEL, B. A formal basis for the heuristic determination of minimum cost paths. SIGART Newsletter, n. 37, p , LAVALLE, S. Planning algorithms. New York: Cambridge University Press, 842 p., LAVALLE, Steven. Rapidly-exploring random trees: A new tool for path planning. Computer Science Dept., Iowa State University, Out MEDEIROS, F. Planejamento de trajetórias para veículos aéreos não tripulados usando modelagem computacional de ambientes de navegação através de grafos de visibilidade e modelos digitais de elevação. Tese de doutorado do curso de Computação Aplicada do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 238 p., NETO, A. Macharet, D. Campos, M. On the generation of trajectories for multiple UAVs in environments with obstacles. Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 57, n. 4, p , UNITED STATES, Department of Defense World Geodetic System TR8350.2: Its Definition and Relationships With Local Geodetic Systems, 3 rd Ed., Jul Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

24 24 APLICAÇÃO DE TÉCNICAS DE CASAMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS OBTIDAS POR VANT PARA IDENTIFICAÇÃO AUTOMÁTICA DE REFERÊNCIAS NO SOLO G.C.C. Silva¹*, M. V. T. Monteiro 2, E. H. Shiguemori² Projeto: PITER. 1 Universidade Paulista - UNIP, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo A identificação automática de padrões em imagens aéreas não é uma tarefa simples, pois há diferentes cenários de operação. A extração de informações de um local sobrevoado por uma aeronave depende de muitas variáveis, como momento em que as imagens foram obtidas, os tipos de terrenos existentes, qualidade da câmera, bem como, outros fatores que podem causar variações entre diferentes imagens de um mesmo local. No trabalho, é apresentado um estudo do uso de técnicas de processamento de imagens em um simulador desenvolvido no Projeto PITER, que é capaz de simular voos de aeronaves em uma rota programada utilizando técnicas de processamento de imagem e visão computacional, além de possibilitar a análise de diferentes cenários de operação com diferentes coberturas de solo. Palavras-chave: Processamento de imagens, Cobertura de solo, VANT, Casamento de padrão. 1. Introdução O emprego de imagens e vídeos digitais tem crescido nos últimos anos em diversas áreas, principalmente, devido ao desenvolvimento tecnológico e computacional. Para isso, é necessário que diferentes tecnologias sejam empregadas na captura de imagens e vídeos, por exemplo, satélites, aeronaves e, mais recentemente, os Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT s). Diversas aplicações envolvem o uso de técnicas de Visão Computacional e Processamento de imagens (Altug et al.,2005). O uso conjunto destas tecnologias tem disponibilizado também uma quantidade maior de informações em aplicações como: segurança; sensoriamento remoto; navegação (Gonzalez e Woods, 2000; Kandhalu et al., 2009; Kim et al., 2007). Devido às diversas variações existentes nestas imagens e vídeos, decorrentes dos tipos de problemas que podem durante suas obtenções, sendo alguns deles; Processo de captura, sensor de captura; Variações climáticas; Ângulos de visada; Condições de iluminação, dentre outras, diferentes técnicas de processamento de imagens e visão computacional devem ser empregadas (Gonzalez e Woods, 2000). Estas técnicas envolvem variadas abordagens com uso de métodos estatísticos, estocásticos e uso de técnicas baseadas em inteligência computacional (Duda et al., 2001). Um tema de pesquisa desenvolvido no IEAv é a navegação autônoma de VANT, com base em imagens obtidas por câmeras embarcadas. Uma das abordagens para esta navegação considera a existência de imagens de satélites ou imagens aéreas de uma região sobrevoada. Neste caso, é necessário o uso de técnicas de processamento de imagens para fazer o casamento dos padrões de imagens preexistentes e imagens obtidas pelos VANT (Martins et al. 2005). O objetivo deste trabalho é empregar técnicas de processamento de imagens e visão computacional para identificação automática do local sobrevoado. São realizados experimentos considerando diferentes regiões de voo com características variadas, por exemplo, região urbana, região rural, plantação, vegetação de baixa densidade, descampado e floresta nativa. São empregas as técnicas desenvolvidas por Monteiro et al. (2006). Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

25 25 Os experimentos foram realizados com o uso de um simulador de navegação autônoma de VANT por imagens, desenvolvido no projeto PITER. Neste simulador é possível simular voos em diferentes regiões. As regiões foram separas em duas grandes zonas, sendo elas zona rural e zona urbana, com informações de latitudes e longitudes. Como imagem referência é empregada uma imagem obtida pelo satélite IKONOS (Martins et al. 2005) da região de São José dos Campos, capturada em Como simulações das imagens obtidas pelo VANT, são empregadas imagens aéreas da mesma região. 2. Materiais e Métodos Para realizações dos testes e experimentos, foi empregado o simulador de voo autônomo baseado em imagens, desenvolvido no projeto PITER. Neste simulador estão implementadas algumas técnicas de processamento de imagens e visão computacional, entre elas, a de casamento de padrões proposta por Monteiro et. al (2006). A abordagem faz a correlação entre as imagens gradiente (complexa) utilizando propriedade da Transformada de Fourier Eq.(1) (Monteiro et al., 2006). ^ h( k) 2 F *( k) G( k) (1) Além da correlação, no trabalho de Monteiro et al. (2006) determina-se a similaridade entre as imagens que estão armazenadas, com o uso de dois tipos de diferenciação, são elas: Informação mútua e informação mútua combinada com gradiente. Em primeira instância são eliminadas feições de alta frequência com um filtro gaussiano, após isso é calculada a imagem gradiente complexa, cujas componentes, real e imaginária, são as componentes da imagem filtrada nas direções horizontal e vertical. Ao final disso, pontos da imagem são classificados em ordem decrescente de correlação e escolhese um determinado número de pontos de maior correlação para se calcular a informação mútua entre as imagens filtradas e a informação mútua modificada nas imagens de gradiente. Com isso se tem três medidas de semelhança entre as imagens com as quais se criou um critério de avaliação. Para avaliar a rota previamente planejada o simulador utiliza dados de bordas da imagem armazenada e as compara com a imagem obtida na rota de voo. Mais detalhes desta metodologia podem ser encontrados em Monteiro et al. (2006). Durante o processo de estudos e análises, foram realizados testes na imagem de São José dos Campos obtida no ano de 2005, ilustrada na Fig. 1. Considerando diferentes regiões e áreas que existiram na cidade em 2005, foram separadas 6 coberturas de solo para realização dos testes dos algoritmos de casamento de padrões; Mata fechada; Descampado; Vegetação baixa; Zona urbana de baixa/média densidade; Zona urbana de alta densidade e industrial. Tais coberturas de solo foram escolhidas por apresentarem características diferentes, importantes para teste de robustez dos algoritmos de casamento de padrões. Tais informações são apresentadas na Tab. 1. Tab. 1. Coberturas de Solo Zona Rural Zona Urbana Mata Fechada Descampado Vegetação Baixa Baixa/média densidade Alta densidade Industrial Com uso do simulador de voo autônomo de VANT com base em imagens, foram programas diferentes rotas de voo para testes dos algoritmos. Nestas rotas foram considerados voos sobre as diferentes coberturas de solo. As áreas foram definidas considerando regiões urbanas, diferenciando na quantidade de casas, prédios e indústrias, bem como a densidade populacional encontrada em cada uma das áreas, por exemplo, bairros com pequenos comércios, às zonas com grande quantidade de prédios e as indústrias de alimentos, carros e petrolíferas que normalmente se localizam mais afastadas das cidades. Informações Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

26 26 destas regiões foram obtidas na página do IBGE (2010) em conjunto com os dados encontrados na página da prefeitura de São José dos Campos. Já no caso das zonas rurais, foram consideradas rotas com voo sobre variados tipos de vegetação: grama, arbustos e árvores, ausência de cobertura devido à erosão, desmatamento, dentre outras. Nas Figuras 2, 3, 4, 5, 6 e 7 são ilustradas, respectivamente,rotas traçadas na áreas: Mata fechada; Descampado; Vegetação baixa; Zona urbana de Baixa e média densidade; Alta densidade e Zona industrial. Fig. 2. Rota em mata fechada. Fig. 3. Rota de voo em descampado. Fig. 4. Rota de vegetação baixa. Fig. 1. São José dos Campos Fig. 5. Rota em zona urbana de baixa/media densidade. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

27 27 Fig. 6. Rota em zona urbana de alta densidade. Fig. 7. Rota em zona urbana industrial. 3. Resultados e Discussão Na primeira parte do projeto foram simuladas diferentes rotas de voo no simulador PITER. Foram consideradas diferentes coberturas de solos. Para cada rota é feita uma amostragem dos pontos sobrevoados. Para cada ponto, é verificado se o local sobrevoado foi reconhecido. Na Tab. 2 são apresentados os resultados, considerando o tipo de cobertura de solo, a quantidade de pontos analisada durante toda a simulação e a porcentagem de acerto. Após o programa concluir seu processamento, são armazenadas informações do voo e reconhecimento, armazenado em um arquivo contendo informações como altitude, longitude, velocidade de voo, assim como se a área sobrevoa foi detectada. Durante todo o processo foram consideradas 868 imagens diferentes, ou seja, de locais (longitudes e latitudes) diferentes. Dois problemas foram identificados durante a execução dos testes, um deles é que se forem utilizados muitos pontos de controle no simulador, a aeronave tem dificuldade em passar por todos estes pontos. Uma solução foi reduzir a quantidade de pontos de controle. O outro problema ocorria quando as rotas eram traçadas em ângulos muito agudos, fazendo as mesmas ficarem muito próximas, causando erros na detecção. Para resolver tal problema as rotas foram reajustadas. Para ilustrar o simulador em execução, nas Figuras 8, 9 e 10 são apresentados módulos do simulador. A imagem referência utilizada é ilustrada na Fig. 8. Os pontos vermelhos indicam o local sobrevoado pelo VANT. Os pontos verdes indicam o sucesso da identificação do local sobrevoado. A imagem obtida pelo VANT é ilustrada na Fig. 9. Uma subimagem da região sobrevoada pelo VANT é ilustrada na Fig. 10. Tab. 2. Resultados dos testes. Localidades Nº de Frames % de Acerto Baixa/média ,10% densidade Alta densidade ,39% Industrial ,29% Descampado ,00% Mata Fechada ,59% Vegetação Baixa ,47% Após realizar os testes nos diferentes cenários, é possível analisar que a capacidade de reconhecimento atual do algoritmo é de aproximadamente 80,59% para áreas de zona urbana. Nos testes realizados nas zonas de área rural de mata fechada e descampado, foram obtidos resultados equivalentes a 85.35% de detecções corretas. Tais resultados apontam que o simulador atualmente tem uma grande capacidade de detecção, próximo a 83% em diante. 4. Conclusões O simulador atualmente tem uma dificuldade maior de detecção em áreas urbanas devido a possíveis ruídos na imagem que não puderam ser totalmente filtrados dificultando a extração de bordas e gerando problemas com a associação entre as imagens do banco de dados e a região sobrevoada. Para teste futuros, além de uma melhora no algoritmo, o banco de dados será aumentado possibilitando uma maior capacidade de detecção e associação por parte do simulador. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

28 28 Fig. 8. Imagem do satélite onde é feita as análises. Fig. 9. Imagem da câmera do VANT. Referências ALTUG, E.; OSTROWSKI, J. P.; TAYLOR, C. J., Control of a quadrotor helicopter using dual camera visual feedback. The international Journal of Robotics Research. v. 24, n. 5, p , SAGE Publications, may DUDA, R. O. ; HART P. E. and STORK, D.G., Pattern Classification, Wiley, 2nd. Edition, p. GONZALEZ, R. C., WOODS, R. E. Processamento de Imagens Digitais. Editora Edgard Blucher, KANDHALU, A.; ROWE, A.; RAJKUMAR, R.; HUANG, C.; YEH, C.. Real-Time Video Surveillance over IEEE Mesh Networks, in: 15th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, 2009, San Francisco. Proceedings... Piscataway: IEEE, 2009, p KIM, S.; ROH, C.; KANG, S.; PARK, M.; Outdoor Navigation of Mobile Robot Using Diferential GPS and Curb Detection, IEEE International Conference on Robotics and Automation, MARTINS, M. P., MONTEIRO, M. V. T., SHIGUEMORI, E. H., MEDEIROS, F. L. L., DOMICIANO, M. A. P. D.; Navegação aérea autônoma por imagens, Disponível em: 1_Elcio_apresentacao.pdf. Acesso em: 10/02/2015 MONTEIRO, M. V. T. ; SHIGUEMORI, E. H. ; MARTINS, M. P. ; MEDEIROS, F. L. L. ; DOMICIANO, M. A. P.. Ikonos and Video Image Registration Using Gradient Correlation, Mutual Information and Combined Mutual and Gradient Information. In: SIBGRAPI - Simpósio Brasileiro de Computação Gráfica, Processamento de Imagens e Visão Computacional, 2006, Manaus. +, IBGE Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, Censo Demográfico 2010, 2010, Disponível em: =&codmun=354990&search= infogr%e1ficos:- informa%e7%f5es-completas. Acesso em: 10 de Mar PREFEITURA DE SÃO JOSÉ DOS CAMPOS, População por região, São José dos Campos, 2010, Disponível em: Acesso em: 09 de Mar Fig. 10. Imagem do banco de dados do simulador. Agradecimentos Gostaria de agradecer ao projeto PITER, pelo espaço, pessoal, instrumentos cedidos e pela paciência, ao Sgt. Ross pela ajuda com o simulador e no funcionamento das rotas. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

29 29 AQUISIÇÃO DE DADOS NO ESTUDO DE UM MOTOR DE DETONAÇÃO PULSADA: INICIAÇÃO DA DETONAÇÃO C. C. B. Katata 1*, V. B.B. Rodrigues 2, C. S. T. Marques 3 Projeto: Avaliação da Detonação Pulsada por Imagens de Emissão. 1 ETEP Faculdades Engenharia Industrial Mecânica, São José dos Campos SP. 2 USP Engenharia Industrial Química Lorena SP. 3 IEAv Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. 1 Resumo O motor PDE é amplamente considerado como sistema propulsivo do futuro. E estudos sobre seu desempenho são de extrema importância. Neste trabalho, são quantificados os fatores que aumentam o tempo de ciclo de um PDE: conexão cabo/conector de ~5-7 ms; conector/vela, maior que 20 ms; desgaste da vela, de ~10 ms; redução do gap da vela de ~1,5-2 ms e fenda de 0,05 mm em dois pontos de aperto do flange, ~3 ms. São apresentados o ruído eletromagnético presente no sistema, e as considerações para aquisição de dados de detonação, que seguem o critério de Nyquist. Palavras-chave: PDE, Tempo de ciclo, Aquisição de dados 1. Introdução Motores de detonação pulsada (PDEs) são amplamente considerados como motores aeronáuticos do futuro tanto militares quanto civis, assim como na área aeroespacial (Panicker, 2006). O elevado empuxo específico e sua baixa complexidade e leveza faz com que PDEs sejam mais vantajosos que motores convencionais por terem alta eficiência térmica, além de possuírem baixo custo operacional, e atuarem em amplo regime de voo, de Mach 0 a 5, e por poderem ser acoplados a outros sistemas propulsivos (Panicker, 2006). A energia liberada pelo processo de detonação é muito maior que a pelo processo de deflagração. Assim, os PDEs podem oferecer uma redução significativa de combustível (Panicker, 2006). Neste trabalho investigou-se o impacto da ignição, da aquisição de dados e da vedação do tubo de detonação no tempo de ciclo de um PDE ideal para melhor obtenção de dados. 2. Metodologia O sistema de detonação pulsada é composto por um sistema de ignição, um tubo de detonação sem obstáculo, uma tubeira e uma câmara de testes. Inicialmente foi feito vácuo nas câmaras de combustão e de teste, separadas por um diafragma de Mylar aluminizado. Após 2 horas de vácuo, o tubo de detonação foi preenchido com a mistura de H 2 /ar na condição estequiométrica a uma pressão inicial de 1 atm. A mistura foi homogeneizada por difusão molecular durante 40 minutos. A ignição da vela automotiva por um pulso de alta tensão (25 kv) de microssegundos, e 56 J inicia a combustão da mistura. A onda de combustão rompe o diafragma e se propaga até a câmara de testes. O sistema experimental é mostrado na Fig. 1. O pulso de alta tensão que inicia a combustão é sincronizado com o osciloscópio Yokogawa de 500 MHz, a partir de um gerador de atrasos. Os sensores de pressão 603B da Kistler captaram o sinal da onda de combustão. Para detectar a medida da emissão após o disparo da botoeira, um monocromador de ½ m da Jobin Yvon (Triax 550) analisou a emissão luminosa e uma fotomultiplicadora detectou o sinal para a faixa espectral referente ao OH* (306,4 nm). O tempo de emissão do OH* foi referência para o estudo do tempo de ciclo e para diagnosticar os fatores que influenciam a detonação em um PDE ideal. O tempo de ciclo estudado tem como referência o valor 10,75 ms (Santos, 2013). Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

30 30 Fig. 1. Arranjo experimental para aquisição de dados do sistema de detonação pulsada. 3. Resultados e Discussão 3.1 Ignição O sistema de ignição de microssegundos foi acoplado a um conector de aço-inox por meio da soldagem do cabo de ignição em um tubo de cobre e a fixação do tubo de cobre ao conector de aço inoxidável com um alicate de crimpagem, com matriz de compressão específica para cabos de vela de ignição da marca MSD IGNITION. Além disso, ele foi revestido com um tubo de silicone eliminando a fuga de corrente pela umidade, reduzindo a sua oxidação e, portanto, aumentando sua durabilidade. Dessa forma, garantiu-se uma boa condutividade e reduziu-se ao máximo a fuga de corrente durante a ignição entre o cabo de ignição e o conector, o que pode ocasionar um aumento de 5-7 ms no tempo de ciclo, como observado nos testes realizados. Isso foi feito propriamente para o sistema PDE, devido ao cabo de ignição ser do tipo coaxial de alta velocidade de propagação (ideal para transmissões de pulsos de nano a microssegundos), como mostra a Fig. 2. A folga do conector na vela Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015 de ignição é outro ponto de perda de condutividade (energia de ignição), principalmente, e de fuga de corrente, o que resulta em um aumento significativo do tempo de ciclo (> 20 ms). Fig. 2. Conexão da vela automotiva. Outro fator importante no estudo da ignição é a vela automotiva aplicada, já que essa libera a energia para possibilitar a detonação. Neste caso, estudou-se a influência do seu desgaste e do gap no tempo de ciclo. A vela NGK BP5ET, de alto desempenho, usada nos testes, apresentou redução de eficiência a partir do 3 o a 4 o

31 31 pulso, ocasionada pelo desgaste do seu eletrodo central. Tal desgaste resulta em aumento de cerca de 10 ms no tempo de ciclo. O impacto do gap das velas foi verificado, testando-se duas aberturas de 2,0 mm e 1,65 mm. Os testes realizados com as diferentes aberturas mostraram que ao se usar o gap de 1,65 mm teve-se um aumento de 1,5-2,0 ms no tempo de ciclo. Entretanto, obtiveram-se resultados mais precisos que àqueles com gap de 2,0 mm. Serão realizados testes com velas de tungstênio e de ouro-paládio para verificar sua resistência ao desgaste da detonação e aumentar a quantidade de ensaios com uma mesma vela automotiva. É conhecido o aumento do tempo de atraso de ignição em motores de combustão pela umidade (Roy, 2004). Apesar de não ter sido estudado o efeito do percentual da umidade na ignição. Nesse trabalho, observou-se que a umidade (tubulação de entrada úmida e vácuo ineficiente) foi responsável por várias falhas de ignição. Normalmente, essa influência é compensada pelo excesso de energia de ignição. 3.2 Aquisição de dados Os ruídos existentes no experimento dificultam a obtenção de resultados mais precisos, assim há necessidade de conhecêlos e quantificá-los para minimizá-los. Entre esses ruídos há a luz ambiente, que interfere na detecção da emissão luminosa do OH*. Assim, o local onde ocorre o experimento é isolado da luz externa e as luzes internas são apagadas antes do teste. Outra interferência significativa no experimento é o ruído eletromagnético gerado pelo sistema de ignição de alta energia. Foram obtidos dados que mostram sua intensidade (Fig. 3) nos medidores de pressão da Kistler de alta isolação elétrica (10 13 Ω). Essa interferência ocorre apenas no tempo de duração da descarga elétrica (~50 µs) e, portanto, é pouco significativa nos sinais de pressão e emissão luminosa. A minimização da interferência eletromagnética e garantia da segurança dos usuários do sistema foi realizada pelo aterramento do cabo de ignição, separado do tubo de detonação. Fig. 3. Interferência eletromagnética apresentada pela descarga elétrica. Até o presente, foram obtidos dados de pressão e emissão em uma janela temporal cerca de quatro vezes maior que o tempo de ciclo para um PDE (Santos, 2013) e, portanto, aplicou-se uma amostragem para aquisição dos sinais cerca de quatro vezes maior do que típica para detonação (5 MS/s), para se ter uma resolução temporal adequada do experimento. Entretanto, futuramente, pretende-se utilizar uma amostragem menor, dentro do critério de Nyquist, para facilitar o tratamento computacional dos dados. Considerando o diâmetro dos sensores de pressão (d sensor = 5,55mm) e a velocidade de detonação Chapman-Jouguet (D CJ = 1968,5 m/s) da condição de estudo, obteve-se a amostragem necessária, conforme as equações abaixo (Panicker, 2006): A mínima amostragem necessária para o estudo, portanto, é de cerca de 1 MS/s. Porém, para uma aquisição adequada das oscilações de pressões da onda de combustão para uma distinção dos fenômenos de deflagração, DDT (transição de deflagração a detonação) e detonação (Marques, 2000) é necessário uma resolução temporal maior. 3.3 Vedação (1) (2) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

32 32 A vedação do sistema é crucial para que haja uma detonação nas condições estabelecidas. Observou-se uma maior dificuldade no alinhamento entre dois conjuntos: o tubo de detonação e a tubeira acoplada a câmara de testes, que sempre necessitam ser abertos após cada experimento, o que acarreta uma variação de posição a cada montagem. A junção entre esses dois conjuntos possui flanges com seis parafusos para aperto, sendo possível a medição da folga entre as faces em cinco diferentes pontos. Para uma maior vedação, o aperto deve ser homogêneo de modo que os flanges fiquem completamente faceados. Variações de 0,05mm, valores que estão dentro da tolerância de usinagem, em dois pontos de medições resultam em um acréscimo no tempo de ciclo de cerca de 3 ms. Essas variações podem ser corrigidas com apertos sobre anéis de vedação de borracha nitrílica (NBR) ou Viton, se os conjuntos mecânicos estiverem bem alinhados. O impacto significativo no tempo de ciclo é devido ao hidrogênio ter velocidades de vazamento maiores que o hélio e o ar (Pfeiffer Vacuum, 2013). Está em desenvolvimento na SUTEC um projeto mecânico para minimizar a variação de posições entre os dois conjuntos, e que também auxiliará para um alinhamento de maior precisão entre eles. 3.4 Iniciação da detonação Após o restabelecimento do sistema experimental com a remoção da contaminação por ácido acético, remoção da terra na tubulação de entrada, conserto da bomba de vácuo e realinhamento mecânico do conjunto tubo/tubeira, foram realizados testes com a energia total de ignição de 56 J, porém em número insuficiente para assegurar que a energia aplicada não inicie uma detonação. 4. Conclusões Variações no sistema de ignição (vela, conector e gap) e a vedação podem resultar em um acréscimo significativo no tempo de ciclo de um PDE, dificultando a obtenção de uma detonação. Agradecimentos Ao CNPq pela bolsa do PIBIC Proc / e pelo apoio financeiro Proc: / E ao IEAv pela infraestrutura. Referências MARQUES, C. S. T. Cinética de Reação de Radicais em Chamas de C 2 H 2 /O 2 Produzidas em Câmara Fechada f. Tese de Doutorado Unicamp, Campinas. PANICKER, P. K.; WILSON D. R.; LU, F. K. Operational Issues Affecting the Practical Implementation of Pulse Detonation Engines. In: AIAA/AHI SPACE PLANES AND HYPERSONIC SYSTEMS AND TECHNOLOGIES CONFERENCE, 14, Proceedings of the 14th AIAA/AHI Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference, Canberra: p PFEIFFER VACUUM GMBH. Leak Detection Compendium. Asslar: Pfeiffer Vacuum GmbH, Disponível em: Acesso em: 28 Mai ROY, G. D. et al. Pulse Detonation Propulsion: Challenges, Current Status, and Future Perspective. Progress in Energy and Combustion Science, v.30, n. 6, p , Sept SANTOS, J. B. R.; MARQUES, C. S. T. Caracterização da Detonação Pulsada por Emissão com Resolução Temporal. In: SIMPÓSIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS, 2, Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos: 2013.p Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

33 33 AVALIAÇÃO DE CORTE DE PLACAS DE AÇO INOX COM LASER DE CO 2 J. F. Azevedo 1,2, V. Teleginski 2,3, D. C. Chagas 2,3, J. C. G. Santos 1,2, G. Vasconcelos 2,* Projeto: Processamento de materiais com laser. 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. 3 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho estudou-se o corte de placas de aço inoxidável 304L com laser de CO 2, em função da variação da velocidade de corte e da frequência de pulso do laser. As amostras foram avaliadas quanto as suas dimensões nominais, dimensões de rebarbas, razão de aspecto (deformação) e rugosidade de cada amostra. Amostras cortadas com maiores velocidades apresentaram melhor qualidade de corte, ou seja, superfícies lisas e regularidade dimensional. O comportamento da qualidade de corte não é influenciado pela alteração da frequência. Palavras-chave: Corte a laser, Laser de CO 2, Velocidade de corte. 1. Introdução A palavra laser é acrônimo do inglês Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation e significa, Ampliação da luz por emissão estimulada de radiação (Maillet, 1987). Atualmente existem lasers de estado sólido, gasoso e líquido, cada qual com as suas características que justificam a sua aplicação para determinada função (Steen, 2003). O campo de utilização dos vários tipos de laser é muito amplo e engloba aplicações tais como o processamento de materiais, aplicações médicas, instrumentação, processamento de imagem, lazer, etc. Em termos de aplicações no mercado atual, o processamento de materiais é o mais importante, pois representa o maior volume de negócios (Faro, 2006). O laser de CO 2 é um laser de estado gasoso, cujos gases principais são N 2, He e CO 2 (Maillet, 1987). Lasers de CO2 são os mais utilizados e os mais adequados ao processamento de materiais, em particular Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015 nas aplicações que exijam elevada densidade de energia (Steele, 2006). Nesse trabalho será feita a avaliação da superfície e da secção transversal de amostras cortadas utilizando-se um laser de CO 2. Os principais parâmetros estudados foram: a influência da variação da velocidade de corte e frequência de pulso do laser na qualidade de corte. 2. Metodologia Foi utilizada uma placa de aço inoxidável 304L com 3 mm de espessura e um laser de CO 2 de 2,5 kw e diâmetro de feixe de 0,2 mm. O laser utilizado está apresentado na Fig. 1 e localizado na empresa Induscorte S.A. em São José dos Campos. Fig. 1. Laser de CO 2 utilizado (Mazak super turbo X510 Mk) Projeto das amostras Foi realizado o desenho das amostras utilizando o software AutoCAD. Três formatos diferentes foram selecionados, como mostra a Fig. 2. As informações dimensionais do projeto em AutoCAD foram convertidas em coordenadas de corte no software de controle do laser. Fig. 2. Formato das peças cortadas

34 Média da espessura com rebarbas (mm) Corte das amostras A chapa de aço inoxidável foi posicionada sobre uma mesa de coordenadas (x, y) e a região focal do feixe de laser foi ajustada exatamente na superfície da placa. O feixe de laser focalizado sobre a superfície da amostra foi deslocado de acordo com a programação em AutoCAD, executando o corte das amostras. Onze grupos de seis amostras (duas de cada forma) foram cortados, variando-se a velocidade e a frequência do laser. Para frequência de 1000 Hz foram realizados cortes com velocidades de 1200, 1500, 1800 e 2000 mm/min. Para frequência de 4000 Hz foram utilizadas velocidades de 1200, 1500, 1800, 2000, 2500, 3000 e 3500 mm/min. Todas as amostras foram cortadas com potência de 1,8 kw e com gás de arraste de oxigênio (6 kgf/cm 2 ). Fig. 3. Grupo de amostras cortadas Dimensões e rebarbas A Fig. 4 apresenta os resultados das dimensões das rebarbas de amostras cortadas com 4kHz. 4,0 Formato A 3,8 3,6 3,4 Formato B Formato C 2.3. Caracterização das amostras As dimensões das amostras (A, B e C), incluindo as rebarbas formadas do lado oposto à incidência do feixe, foram avaliadas utilizando-se um micrômetro. Foram realizados ensaios de rugosidade nas amostras de formato C utilizando um rugosímetro (Taylor Hobson PGI 1000). As amostras circulares (formato A) foram cortadas e embutidas em resina de baquelite, de forma que foi possível observar a secção transversal das amostras e a região de corte. Fez-se preparação metalográfica nas amostras embutidas, incluindo etapas de lixamento (SiC 80, 320, 600, 1200 e 2000#) e polimento com alumina (0,3 µm). As amostras foram atacadas quimicamente utilizando o reagente Kalling (5 g de CuCl ml de HCl ml de álcool etílico), para que revelasse a zona termicamente afetada (ZTA). Essas amostras foram analisadas através de um estereoscópio (ZEISS Discovery.V8). 3. Resultados e Discussão A Fig. 3 mostra uma fotografia de um grupo de amostras cortadas pelo laser de CO 2 utilizando diferentes parâmetros de corte. 3,2 3,0 2, Velocidade de corte (mm/min) Fig. 4. Dimensões das rebarbas em função da velocidade de corte (4 khz). Observa-se que com o aumento da velocidade houve redução das dimensões das rebarbas. Este mesmo comportamento e dimensões das rebarbas foram observados para as amostras cortadas com 1 khz. Isso porque à medida que se aumenta a velocidade, o calor fornecido para a amostra diminui. Então menor é a zona termicamente afetada, caracterizando uma amostra com menores rebarbas. Já, quanto maior a frequência de pulsos, menor é o tempo de incisão de cada pulso, atuando de forma semelhante à velocidade, diminuindo a dimensão da rebarba Microscopia e razão de aspecto A razão de aspecto de corte (R ac ) é obtida através da Eq. (1): (1) Onde, df é a deformação e e a espessura da chapa. Este parâmetro é um indicador da qualidade de corte, ou seja, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

35 35 menores deformações estão associadas a melhores qualidades de superfícies de corte. A Fig. 5 esquematiza uma amostra e sua razão de aspecto, determinada pela razão entre a deformação e a espessura da amostra cortada. Um parâmetro importante para ser analisado é o Rz 1 max que quantifica a amplitude (altura entre vales e picos) máxima da amostra. Esse parâmetro dá informações sobre as dimensões de materiais que devem ser removidas (retrabalho) para obtenção de uma superfície lisa. 0,22 0,20 0,18 f = 1 khz f = 4 khz 0,16 R ac 0,14 Fig. 5. Razão de aspecto de corte. A espessura é fixa já a deformação varia em função dos parâmetros de corte de cada amostra. As deformações foram avaliadas através de um estereoscópio, como mostra a Fig ,02 µm 0,12 0,10 0,08 0, Velocidade de corte (mm/min) Fig. 7. Razão de aspecto das amostras de formato A. A Fig. 8 ilustra esquematicamente o parâmetro avaliado em cada amostra. Os valores de Rz 1 max estão compreendidos no intervalo de 29 a 60 µm para todas as amostras de formato C. Fig. 6. Microscopia evidenciando a deformação da amostra de formato A, com velocidade de corte de 1200 mm/min e frequência de 1 khz. Com as dimensões das deformações de cada amostra, calculou-se a razão de aspecto das mesmas. A Fig. 7 mostra variação da razão de aspecto de cada amostra em função dos respectivos parâmetros utilizados no laser. De acordo com a Fig. 7 observa-se que o aumento da velocidade proporciona menor razão de aspecto que esta associada a menor deformação dimensional. Amostras cortadas com maior frequência apresentaram este mesmo comportamento Rugosidade Fig. 8. Representação esquemática do parâmetro Rz 1 max. A Fig. 9 representa um gráfico de velocidade de corte versus Rz 1 max. Dos ensaios de rugosidade feitos em todas as amostras foi possível observar que as amostras cortadas com frequência de 1 khz apresentaram um padrão decrescente de Rz 1 max com o aumento da velocidade de corte. Já as amostras cortadas com frequência de 4 khz não apresentam um padrão estabelecido entre o parâmetro Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

36 Rz 1 max (µm) 36 Rz 1 max e a velocidade ou frequência utilizada f = 1 khz f = 4 khz metálica fina. Faculdade de engenharia da universidade do Porto, p.3-31, jun MAILLET, H. et al. O laser: Princípios e Técnicas de Aplicação. São Paulo: Manole, STEELE, R. V. Laser Marketplace. Diode doldrums. Laser Focus World, vol. 42, nº 2, p.69-78, STEEN, W.M.; MAZUMDER, J. Laser material processing. 4ª ed. Londres: Springer, p , Velocidade de corte (mm/min) Fig. 9. Gráfico: velocidade de corte versus Rz 1 max. 4. Conclusões O aumento da velocidade proporciona cortes com menores rebarbas. Não foi notado diferença nas dimensões das rebarbas com a variação da frequência. Observou-se que maiores velocidades e/ou frequências resultam em menor razão de aspecto, caracterizando amostras de melhor qualidade de corte e ausência de retrabalho. As amostras cortadas com menor frequência apresentam maior regularidade de controle de Rz 1 max. Logo, é possível concluir que a faixa ótima de velocidade para cortar amostras de aço inox 304 L com 3 mm de espessura é de 3000 a 3500 mm/min utilizando frequência de 4 khz. Isso porque velocidades mais lentas e frequência baixa aumentam a ZTA, resultando em superfícies com muitas rebarbas e alta razão de aspecto, solicitando retrabalho ou perda da amostra por sua má qualidade. Agradecimentos Ao CNPq pela bolsa de iniciação cientifica PIBIT, à FAPESP (processo n 2013/ ), ao IEAv pela oportunidade de desenvolver este trabalho, aos colegas de laboratório, a empresa Induscorte S.A pelo processamento das amostras. Referências FARO, Tiago. Dissertação: Estudo e optimização do corte laser de alta velocidade em chapa Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

37 37 AVALIAÇÃO DO CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO EM DIFERENTES ESPESSURAS A.Mello 1 *, A. J. Damião 2, F. Nascimento 2, J. Reis 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Para aplicações em sistemas de imageamento aeroembracados, propriedades como rigidez e baixa massa específica são essenciais. O carbono vítreo (CV) é um exemplo de material com tais propriedades, sendo que este deve possuir porosidade em torno de 1% para que se tenha boa resistência mecânica. Está sendo desenvolvido no IEAv um novo processo de obtenção de carbono vítreo, no qual a partir do CV é obtido o carbono vítreo recarbonizado (CV-R). Este trabalho tem como objetivo a avaliação da porosidade do CV-R em amostras de diferentes espessuras, através do teste de Arquimedes, método no qual é possível medir indiretamente a porosidade de um material, a partir de sua massa seca, sua massa úmida e sua massa imersa em um líquido. Palavras-chave: Carbono-vítreo, Carbonovítreo recarbonizado, Porosidade. 1. Introdução O carbono vítreo (CV) pode ser utilizado em aplicações aeroembarcadas nas quais a massa desempenha um importante papel. Devido também a propriedades como a alta rigidez e a baixa massa específica, o CV apresenta-se como um ótimo candidato. Um dos meios de se produzir o carbono vítreo é a partir da resina furfurílica, obtida do álcool furfurílico. Neste processo, a resina é catalisada pelo ácido p- toluenosulfônico e carbonizada. Então, ocorre a moagem e novamente a carbonização, obtendo-se assim o carbono vítreo recarbonizado. A porosidade é fator essencial para a aplicação em sistemas de imageamento aeroembracados. O material deve ter a porosidade em torno de 1% para que tenha boa resistência mecânica e poucos poros, para garantir a qualidade da superfície óptica. Um método de se medir a porosidade deste material é através do teste de Arquimedes. O princípio de Arquimedes, diz que a intensidade da força que um fluido exerce sobre um corpo imerso parcialmente ou totalmente, chamada de empuxo, é igual ao peso da porção de fluido deslocada pelo corpo (Barbosa, 2006). Através deste principio é possível medir indiretamente a porosidade de um material, medindo sua massa seca, sua massa úmida e sua massa imersa no líquido. 2. Metodologia 2.1 Síntese do Carbono Vítreo Para a obtenção do Carbono Vítreo Recarbonizado, primeiramente foi realizada a síntese da resina furfurílica através da catálise ácida do álcool furfurílico. Este álcool é adicionado em um reator de aço inox sob um banho-maria aquecido. Foram colocados um termopar no interior do reator e outro no banho para se acompanhar a temperatura da reação, pois se trata de uma reação exotérmica de difícil controle. O aquecimento e o agitador do reator foram ligados. Após a temperatura no interior do reator atingir 32 ºC, o aquecimento foi desligado e adicionou-se ao reator uma solução de ácido sulfúrico 0,5 M. Como não ocorreu reação espontânea, o aquecimento foi novamente ligado. Quando a temperatura atingiu 75 C desligou-se o aquecimento e ligou-se o sistema de resfriamento do reator para finalizar a reação. Quando a resina resfriou até 40 C foram desligados o resfriamento e a agitação para finalizar a reação de síntese da resina furfurílica. Logo após, a resina foi levada ao freezer e congelada para a finalização total da reação. Após um dia, descongelou-se uma parte da resina até a temperatura ambiente. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

38 38 A resina descongelada foi catalisada com 2% de ácido p-toluenosulfônico. Essa etapa é importante, pois o ácido p- toluenosulfônico faz com que ocorra o processo de cura da resina. O material foi colocado em um recipiente forrado com um plástico e ficou à temperatura ambiente para cura. O plástico foi colocado para que a resina não grudasse no recipiente e fosse mais fácil sua remoção. Após a cura, o material foi carbonizado a 1000ºC para que ocorresse a liberação dos voláteis presentes. O processo ocorreu em atmosfera inerte de N 2. A partir desta fase o material já pode ser chamado de carbono vítreo. Em seguida, carbono vítreo carbonizado foi levado ao moinho para sua cominuição. O pó obtido foi misturado com 25% de massa de resina furfurílica catalisada com 2% ácido p-toluenosulfônico. Em seguida, a mistura foi separada em amostras de 4g, 8g e 12g para a conformação em prensa uniaxial. Esta etapa é a de maior interesse deste trabalho, que estuda como a espessura do material durante a prensagem influencia na porosidade das amostras. Cada amostra foi colocada no molde de aço lubrificado com estearina. Primeiramente, foi aplicada uma carga de duas toneladas durante 10 segundos, depois se aliviou a prensa e aplicou-se uma carga de oito toneladas durante um minuto. O molde foi invertido e aplicou-se novamente uma carga de oito toneladas durante um minuto. Este processo foi realizado para melhor acomodação do material durante a prensagem. A Figura 1 ilustra as amostras prensadas com espessuras de tamanhos diferentes e mesmo diâmetro e a Figura 2 ilustra a vista superior da amostra. Fig 2. Vista superior de uma amostra. Após a prensagem, as amostras foram recarbonizadas a 1000ºC. 2.2 Teste de Arquimedes Para a medição de porosidade das amostras de carbono vítreo recarbonizado, foi realizado o teste de Arquimedes, seguindo norma ASTM C Primeiramente, as amostras secas foram pesadas (massa seca) e, em seguida, colocadas em um béquer com querosene. O material foi colocado numa campânula, bombeada a vácuo, durante uma hora para a retirada do ar. As amostras foram retiradas do querosene e com papel toalha retirou-se o excesso de líquido. Pesaram-se novamente as amostras (massa úmida). O dispositivo para o teste de Arquimedes foi montado utilizando-se uma rede presa em um suporte, que foi imersa no querosene, de modo que a rede não se encostasse ao béquer, conforme ilustrado nas Figuras 3 e 4. Cada amostra foi colocada imersa na rede e pesada (massa imersa). Fig 1. Amostras após serem prensadas. Fig 3. Dispositivo montado para a realização do teste de Arquimedes. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

39 39 porosidade aparente e a densidade aparente das amostras de diferentes espessuras estão em uma mesma faixa, este fato demonstra que a espessura da amostra não influencia em tais propriedades. Fig 4. Vista superior do dispositivo para a realização do teste de Arquimedes. A rede não toca no béquer. Considerando-se Ms a massa seca, Mu a massa úmida e Mi a massa imersa, utilizaram-se as seguintes equações para os cálculos da Absorção aparente (AA), Porosidade Aparente (PA) e Densidade Aparente (DA): AA: (1) PA: (2) DA: (3) Sendo que a densidade (ρ) do querosene é 0,81 g/cm³. 3. Resultados e Discussão Os resultados obtidos no teste de Arquimedes estão representados nas Tabelas 1 e 2. Tab. 1. Massas pesadas durante o teste de Arquimedes. Amostra Massa Seca (g) Massa imersa (g) Massa úmida (g) 1 4,65 2,39 5,23 2 4,60 2,36 5,20 3 7,74 4,04 9,06 4 7,68 3,88 8, ,29 5,98 13, ,52 6,11 13,33 O percentual de porosidade das seis amostras está entre 16,54% e 21,30% e a densidade entre 1,24 g/cm 3 e 1,33 g/cm 3. Fica evidente que a absorção aparente, Tab. 2. Resultados do Teste de Arquimedes nas amostras de CV-R. Massa Seca (g) Absorção Aparente (%) Porosidade Aparente (%) Densidade Aparente (g/cm 3 ) 4,65 10,10 16,54 1,33 4,60 10,56 17,11 1,31 7,74 13,81 21,30 1,24 7,68 11,28 17,79 1,28 11,29 12,48 19,99 1,29 11,52 12,72 20,31 1,29 4. Conclusão Foi possível medir o percentual de porosidade através do teste de Arquimedes. A porosidade ficou entre 17% e 21%, estando alta comparada com o esperado que é de 1%. Foi possível concluir que a espessura da amostra não influencia em sua porosidade. A seguir serão realizados testes de compressão diametral, para avaliação de propriedades mecânicas. Agradecimentos Ao CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica e ao IEAv e seus colaboradores pela oportunidade. Referências BARBOSA, V. C.; BREITSCHATFT, A. S. Um aparato experimental para o estudo do princípio de Arquimedes. Revista Brasileira de Ensino de Física, v. 28, n. 1, p , TABELA de densidade, Smart internacional, Disponível em Acesso em 13 de maio de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

40 40 AVALIAÇÃO MICROESTRUTURAL E ANÁLISE ELETROMAGNÉTICA DE FERRITAS DE COBALTO J. A. N. Ferreira 1, 2*, M. S. Amarante 1, 2, 3, A. C. C. Migliano Projeto: Desenvolvimento de cerâmicas com aplicações em encapsulamento de sensores em RF e micro-ondas, radome e biossensores. 1 Universidade Braz Cubas - UBC Mogi das Cruzes SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Instituto Tecnológico de Aeronáutica- ITA São José dos Campos- SP. 1, 2, 3 Resumo A difusão dos óxidos de cobre, bário e manganês em cerâmicas magnéticas tornouse alvo de muitas pesquisas em função da formação de nanoestruturas com aplicações nas áreas de telecomunicação, aeronáutica, espacial e biomédica. Foram realizados estudos de microestrutura e medidas de permeabilidade e permissividade complexas das amostras de ferritas de cobre e cobalto (Co-Cu) Cu 0,3 Co 0,7 Fe 2 O 4, cobalto e bário (Co 2 Z) Co 2 Ba 3 Fe 24 O 41 e cobalto e manganês (Mn-Co) Co 0,6 Mn 0,4 Fe 2 O 4. Os resultados mostraram que as ferritas à base de cobre e bário, são cerâmicas magnéticas de alta frequência, até 10GHz para as ferritas do tipo Co 2 Z e 3GHz para as ferritas Co-Cu. A ferrita de Mn-Co apresentou ressonância de Debye em torno de 100kHz. Palavras-chave: Ferrita Co-Cu, Ferrita Co 2 Z, Ferrita Mn-Co, Permeabilidade e Permissividade. 1. Introdução O estudo das propriedades eletromagnéticas dos materiais nas faixas de radiofrequência (RF) e de micro-ondas, apesar de ser um campo antigo da física, ainda hoje possui grande importância acadêmica e tecnológica. As técnicas empregadas nas medidas dessas propriedades, que podem ser macroscópicas ou microscópicas, são importantes nas pesquisas de materiais, principalmente no desenvolvimento de compósitos e estruturas funcionais que blindam o espalhamento eletromagnético e promovem o isolamento térmico. Essas estruturas preservam sensores e dispositivos sob alta temperatura, garantindo a integridade de suas propriedades eletromagnéticas (RADAR Dome - RADOME) (Chen, 2004 e Von Hippel, 1966). Na área de telecomunicações, o desenvolvimento de tecnologias requer um conhecimento preciso das propriedades eletromagnéticas de materiais em RF e micro-ondas, a fim de atender requisitos importantes para aplicações nos setores civis e militares (Jefferson e Grimes, 1956; O'Handley, 2000). O desenvolvimento de componentes eletrônicos necessitam de materiais que apresentem propriedades de transporte de corrente elétrica compatíveis com suas aplicações (O'Handley, 2000). Assim, o desenvolvimento de circuitos eletrônicos requer o conhecimento preciso das propriedades constitutivas dos materiais, como a permeabilidade magnética complexa Eq. (1) e permissividade elétrica complexa Eq. (2). ( ) (1) ( ) (2) Desta forma, essas ferritas são empregadas em blindagens eletromagnéticas para garantir a compatibilidade eletromagnética (EMC) entre seus componentes (Wentworth, 2009). Da mesma forma, um veículo espacial na reentrada atmosférica sofre variações elevadas de temperatura e necessita de blindagem térmica, mantendo as propriedades de transparência eletromagnética. As propriedades magnéticas e elétricas das ferritas dependem de sua microestrutura, ou seja, do contorno de grão, do seu tamanho médio e de sua porosidade. A microestrutura pode ser controlada pela variação no processamento, isto é, preparação e pureza do pó, moagem, gradiente de pressão e condições de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

41 41 sinterização (temperatura, tempo e atmosfera) (Pyuan e Baek, 1985). O principal objetivo deste trabalho foi à confecção de ferritas de cobalto com adição dos óxidos de cobre, bário e manganês para a análise microestrutural e avaliação das propriedades eletromagnéticas. 2. Metodologia As amostras de ferritas de cobalto com adição dos óxidos de cobre, bário e manganês foram confeccionadas pelo método cerâmico convencional. Os óxidos passaram por moagem e mistura manual durante 1 hora. Após a moagem, o pó foi pré-sinterizado a 800 C por 4 horas. As amostras para as diversas caracterizações foram compactadas a partir do pó présinterizado moído, por meio de prensagem uniaxial a 50MPa com as matrizes confeccionadas, utilizando uma prensa hidráulica. Para o processo de présinterização e sinterização, utilizou-se um forno mufla EDG1600. A temperatura e o tempo de sinterização para as amostras deste trabalho foram de 1200 C/ 12h para as amostras com óxido de cobre e óxido de manganês, e 1350 C/ 24h para as amostras com óxido de bário. As amostras foram confeccionadas com geometria toroidal, utilizadas para a análise de permeabilidade e permissividade por meio de um guia de onda coaxial e no formato de pastilhas utilizadas para observação dos grãos por meio de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV). As medidas de permeabilidade e permissividade complexas foram realizadas utilizando o método de impedância em uma porta (Cortes et al.,2007) a partir dos dados obtidos de um analisador de impedância Agilent HP4294A e um analisador de redes vetorial modelo Agilent 8722ES. 3. Resultados e Discussão Foram obtidas micrografias das amostras Co-Cu, Co 2 Z e Mn-Co, por meio do MEV com diferentes aumentos, de acordo com as estequiometrias analisadas. Na Fig. 1 observou-se a concentração do óxido de cobre nas regiões de interstício da superfície e a aglomeração no interior do grão da ferrita, devido ao baixo teor de dopante estimulou poros no interior da amostra. Fig. 1. Amostra de Co-Cu, com aumentos de 100x, 200x e 500x, respectivamente. Os grãos formados na amostra de Co 2 Z, são característicos de uma estrutura hexagonal. A amostra apresentou uma estequiometria homogênea pela superfície conforme mostra a Fig. 2. Fig. 2. Amostra de Co 2 Z, com aumentos de 500x, 1000x e 3000x, respectivamente. Observou-se na Fig.3, concentração predominante dos poros nas regiões entre os grãos nas amostras Mn-Co. A formação da estrutura de espinélio foi homogênea por toda a superfície da micrografia. As amostras das ferritas Co 2 Z e Mn-Co, apresentaram tamanho de grão menor comparando com a amostra da ferrita Co- Cu, conforme mostram as Fig. 1, Fig. 2 e Fig.3. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

42 42 Fig. 3. Amostra de Mn-Co, com aumentos de 1000x, 2000x e 3000x, respectivamente. Os resultados das medidas de permissividade e permeabilidade complexas para a ferrita Co-Cu são mostrados na Fig. 4 e Fig. 5, e indicam um comportamento linear numa ampla faixa de frequência µ = 1,2 entre 30MHz a 3GHz e ε = 1,3 entre 900MHz a 8GHz. Observou-se que as perdas em permissividade como em permeabilidade foram abaixo de 2m. Fig. 5. Permissividade complexa para a ferrita Co-Cu. A ferrita do tipo Co 2 Z, apresentou uma permeabilidade complexa constante aproximadamente até 700MHz para sinterização de 24h. Observou-se comportamento característico para esta ferrita, devido à complexidade para a formação da estrutura hexagonal do tipo Z, e ainda ser da classe de Co-Ba, possui maior valor de permeabilidade. Para a permissividade os valores se mantiveram constantes, porém em mais altas frequências apresentou um comportamento oscilatório (± 5), conforme as Fig. 6 e Fig. 7. Fig. 4. Permeabilidade complexa para a ferrita Co-Cu. Fig. 6. Permeabilidade complexa para a ferrita Co 2 Z. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

43 43 Fig. 7. Permissividade complexa para a ferrita Co 2 Z. As amostras Mn-Co apresentaram as medidas de permissividade Fig. 8 e permeabilidade complexas Fig. 9 na faixa de frequência de 40Hz a 110MHz, mostraram que a permissividade elétrica desta amostra diminuiu com o aumento da frequência, indicando um comportamento de ferrita de espinélio. Além disso, demonstraram que, com o aumento do tempo de sinterização o comportamento de Debye é mais acentuado e pode-se determinar que a frequência de relaxação das amostras de Mn-Co sinterizadas por 6 horas e por 12 horas são de aproximadamente 400kHz e 109kHz. Fig. 8. Permissividade complexa para a ferrita Mn-Co. Fig. 9. Permeabilidade complexa para a ferrita Mn-Co. 4. Conclusões Avaliando a microestrutura da amostra da ferrita a base de cobre, Co-Cu, observou-se a concentração do óxido de cobre nas regiões de interstício da superfície e poros no interior da ferrita. O comportamento de permeabilidade e permissividade complexas se mantiveram constantes numa ampla faixa de frequência. Devido ao tempo de sinterização a amostra da ferrita a base de bário, Co 2 Z, obteve poros menores o que está de acordo com a cinética química que envolve a coalescência dos grãos. Esta ferrita mostrou características de uma ferrita de alta frequência para a faixa de até 10GHz. As amostras das ferritas à base de manganês, Mn-Co, apresentaram uma alta concentração de poros nas regiões entre os grãos. As medidas das propriedades eletromagnéticas destas amostras mostraram que o tempo de sinterização afetou os valores de permeabilidade magnética e permissividade elétrica. Além disso, o tempo de sinterização influenciou na frequência de relaxação do material na curva do comportamento de Debye. Agradecimentos O segundo e terceiro autor agradecem à FAPESP (projeto 2012/ ); a agência de fomento CAPES/Pró Estratégia (projeto 26/2012) pelo financiamento proporcionada à pesquisa realizada; o primeiro autor agradece ao CNPq pela bolsa de Iniciação Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

44 44 Cientifica (processo /20143). Ainda agradece ao IEAv pela infraestrutura e aos amigos do Laboratório de Sistemas Eletromagnético (LSE) e Laboratório de Materiais Eletromagnéticos (LME) pelo apoio e dedicação. Referências CHEN, L. F. et al. Microwave electronics: measurement and materials characterization. New York, NY: John Wiley & Sons, 552p CORTES, A.L.; MIGLIANO, A.C.C.; BRITO, V.L.O.; ORLANDO, A.J.F. Practical aspects of the characterization of ferrite absorber using one-port device at RF frequencies. In: Progress In Electromagnetics Research Symposium, 2007, Beijing. Proceedings of Progress In Electromagnetic Research Symposium, v. 01, p , JEFFERSON, C. F.; GRIMES, D. M. A study of the preparation of nichel-zinc ferrites. Engineering Research Institute - University of Michigan Technical Report No. 58, Ann Arbor, MI, p. 1-67, O'HANDLEY, R. C. Modern magnetic materials: principles and applications. New York, NY: John Wiley & Sons, 740 p., PYUN, S. I. e BAEK, J.T., American Ceramic Society Bulletin, 64, pp , VON HIPPEL, A. R. Dielectric materials and applications. Cambridge, MA: The MIT Press, 438p WENTWORTH, S. M. Eletromagnetismo aplicado: abordagem antecipada das linhas de transmissão. Porto Alegre, RS: Bookman, 672p Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

45 45 CÁLCULOS DAS ENERGIAS DE IONIZAÇÃO E DAS GEOMETRIAS DE ÓXIDOS DE METAIS DE TRANSIÇÃO E FRAGMENTOS DO GRAFENO I. V. Mariotti¹, A. C. A. Faria-Junior², F. B. C. Machado³, O. Roberto-Neto 4* Projeto: Estudos em química computacional de ligas de óxidos de metais de transição com aplicações em conversores de energia, catalisadores e em cinética química. 1 Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos (ETEP), São José dos Campos SP. 2 Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Departamento de Engenharia Mecânica, Guarapuava PR. 3 Instituto de Tecnologia da Aeronáutica (ITA), Departamento de Química, - São José dos Campos SP. 4 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo O objetivo desse trabalho é comparar e definir metodologias mais adequadas para os cálculos de potenciais de ionização, energias dos orbitais de condução e das geometrias de novos materiais para o emprego em catálise química heterogênea e como conversores de energia para aplicações em engenharia aeroespacial. Métodos da teoria do funcional densidade (DFT) e de teorias de função da onda eletrônica (WFT), como MP2 e CCSD(T), são usados e os resultados comparados para determinar as energias de ionização e as estruturas de óxidos de metais de transição e dos fragmentos de grafeno. O método MP2 mostrou a melhor relação custo (computacional) e benefício (exatidão) na determinação das propriedades eletrônicas e das estruturas envolvendo compostos formados por diferentes tipos de ligações químicas. Palavras-chave: DFT, MP2, ÓXIDOS DE METAIS DE TRANSIÇÃO, FRAGMENTOS DO GRAFENO, ENERGIA DE IONIZAÇÃO. 1. Introdução Na busca de novos materiais, com variedade de aplicações, tem-se empregado como metodologia complementar às técnicas experimentais, métodos de química computacional (Morgon, Em especial, nesse trabalho procuramos identificar métodos teóricos que forneçam dados confiáveis para caracterizar óxidos de metais de transição (Carter, 2013) que possam ser também úteis como catalisadores em reações de combustão. Alguns dos compostos metálicos podem ser úteis como conversores de energia fotovoltaica, bons condutores e usados como baterias. Neste último aspecto, outra classe de compostos, o grafeno compartilha de algumas propriedades eletrônicas de metais no que concerne à condutividade, incluindo a possibilidade de serem usados como baterias reversíveis (Morita, 2011). Dentre as propriedades moleculares comuns que unificam a abordagem dessas duas classes distintas de materiais estão os conceitos de geometrias de equilíbrio, potencial de ionização, eletroafinidade e orbitais moleculares, analisados através de métodos da teoria de orbitais moleculares (Morgon, 2007). Esses conceitos são aplicados aos compostos de carbono benzeno (C 6 H 6 ) e seus derivados e para os fragmentos de grafeno, em especial, aos triangulenos (estruturas fundidas de moléculas de benzeno) (MORITA, 2011). Um dos conceitos estudados é o que envolve a correlação entre os orbitais HOMO (highest occupied molecular orbital) e LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) e as propriedades moleculares. Na Teoria Hartree-Fock, (HF) (Morgon, 2007) e de acordo com o teorema de Koopman (Koop)(McWeeny, 1971), o potencial de ionização (PI) para moléculas de camada eletrônica fechada é definido como o valor negativo da energia HOMO, ou seja, PI = - ε i. Enquanto que a afinidade eletrônica é equivalente ao valor negativo de LUMO. Outra correlação importante é entre a reatividade química e a diferença HOMO- LUMO. Moléculas com grande valor HOMO-LUMO são geralmente estáveis e não-reativas; enquanto aquelas com valor mais baixo são geralmente reativas (Musgrave, 2007). Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

46 46 Neste trabalho são empregados alguns métodos DFTs, e os métodos WFT MP2 e CCSD(T) para as análises de óxidos de metais de transição (Carter, 2013), dos derivados de benzeno e dos fragmentos de grafeno, conhecidos também como triangulenos (Morita, 2011) e que apresentam aplicações tecnológicas. Os óxidos de metais de transição são denotados como MO, onde M envolve Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu e Zn. Dentre os compostos de carbono, foram estudados a série de derivados do benzeno, C 6 H 5 X (X = F, Cl, e Br), naftaleno (C 10 H 8 ) e antraceno (C 14 H 10 ). Os valores experimentais do potencial de ionização foram comparados com valores calculados e usados como referência. Dentre os fragmentos de grafeno estudados estão o fenalenil (PLY), 6- oxofenalenoxil (6OPO), trianguleno (Trg), trioxotrianguleno (TOT) e seus derivados R 3 TOT (R = F, Cl, Br). Esta última série de compostos faz parte do grupo de materiais orgânicos usados eletrodo-ativos (Morita, 2011). Valores do potencial de ionização PI) e da eletroafinidade (EA) são apresentados e discutidos. Dados experimentais foram comparados aos valores calculados para a escolha do método teórico de referência. Foi calculado também o erro médio sem sinal (MUE, mean unsigned error) para cada um dos métodos utilizados, sendo decisivos no julgamento de cada um. 2. Metodologia Os cálculos foram realizados com o código computacional GAUSSIAN 2009 e processados em servidores HP. Os métodos DFTs B3LYP, M06-2X e B2PLYPD e os métodos WFT (wavefuction theory) MP2 e CCSD(T) são empregados junto com os conjuntos bases 6-31+G(2d,2p) e aug-ccpvtz Procedimento computacional Primeiramente, foram otimizadas as geometrias de equilíbrio de todos os óxidos, derivados de benzeno e dos fragmentos de grafeno (triangulenos) usando os métodos DFTs e a teoria MP2 empregando o conjunto base 6-31+G(2d,2p). A seguir, cálculos adicionais e, mais caros computacionalmente, foram realizados com o conjunto base aug-cc-pvtz e empregando os métodos MP2 e CCSD(T) para aferir melhor a sensibilidade e a exatidão dos métodos aplicados. 3. Resultados e Discussão As geometrias de equilíbrio, freqüências vibracionais harmônicas e as energias eletrônicas foram calculadas para os óxidos metálicos diatômicos, assim como para os derivados do benzeno e dos fragmentos do grafeno. Na Figura 1 estão as estruturas obtidas pelo método MP2/6-31+G(2d,2p) dos anéis benzênicos. Fig. 1 Estruturas otimizadas com o método MP2 e o conjunto base 6-31+G(2d,2p) As geometrias dos anéis benzênicos foram calculadas com erros esperados próximos a 0,006%, baseado em estimativa de comparação com estudo teórico do benzeno e do naftaleno, cujas geometrias foram determinadas com grande exatidão experimental. A comparação entre as geometrias calculadas mostra que, em geral, o método MP2 fornece valores menores dos comprimentos de ligação C-H e C-C e que Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

47 47 estão mais próximos de valores experimentais disponíveis. É interessante observar ainda que os anéis sejam altamente simétricos (simetria D 3h para os triangulenos, por exemplo), mas há várias classes de comprimentos de ligação C-C nesses anéis fundidos de benzeno. Na Tabela 1 são apresentados os valores de PI calculados pelo método DFT M062X e MP2 que apresentam valores de MUE iguais a 0,14 e 0,83, respectivamente, quando comparados aos valores experimentais. Os resultados maior exatidão obtida com o método MP2 Tab. 1 Energias de ionização (ev) a PI (Koop) e b PI (adiab). M062X MP2 Exp. C 6 H 6 8,38 a 9,09 9,24 b 9.36 C 10 H 8 7,34 a 7,82 8,14 b 8,04 C 6 H 5 OH 7,66 a 8,58 8,49 b 8,55 C 6 H 5 F 8,34 a 9,26 9,20 b 9,47 C 6 H 5 Cl 8,27 a 9,15 9,07 b 9,12 C 6 H 5 Br 8,13 a 9,05 9,00 b 9,04 A segunda linha da Tabela 1 corresponde ao valor de PI obtido pela diferença de energia molécula neutra e o cátion da mesma, definida como potencial de ionização adiabático (PI) (adiab). De acordo com a Tabela 1, os valores médios das diferenças sem sinal (MUE) de PI (adiab) e PI (Koop) dos derivados do benzeno, incluindo naftaleno são, respectivamente, iguais a 0,11 e 0,13 usando o método MP2/6-31+G(2d,2p). Esses resultados são importantes porque se esperaria que os valores de PI (adiab) fossem mais exatos do que aqueles obtidos com a aproximação do teorema de Koopman PI (Koop), pois no procedimento adiabático ocorre a relaxação da função de onda eletrônica na formação do cátion, ou do anion. Com o objetivo de entender melhor esses resultados é importante aprofundar a investigação usando métodos mais rigorosos da WFT como o método CCSD(T). Por isso, está em andamento a aplicação dessas duas metodologias para as demais moléculas com anéis de benzeno, PLY e triangulenos. Tab. 2 Valores PI e EA em Ev. Método PMP2/6-31G(d,p). PI EA PLY 6,50 0,93 6OPO 7,86 2,94 Trg 9,69 1,24 TOT 9,89-0,02 F 3 TOT 10,04-0,17 Cl 3 TOT 10,33-0,50 Br 3 TOT 23,09-13,02 C 6 H 6 9,36-1,95 C 10 H 8 8,04-0,54 C 14 H 10 8,14-0,65 Na Tabela 2 estão resultados parciais do potencial de ionização (PI) (ev) e das afinidades eletrônicas (EA) (ev) obtidas adiabaticamente pelo método PMP2/6-31+G(2d,2p) para os triangulenos. O acróstico PMP2 significa que as energias finais foram corrigidas em relação ao MP2 para compensar a contaminação de spin nas moléculas de camada aberta (multiplicidade dupleto neste trabalho). As três últimas linhas da Tabela 2 contêm os valores de referência do C 6 H 6 (benzeno), C 10 H 8 (naftaleno) e do C 14 H 10 (antraceno). Os valores experimentais do PI (De Proft, 2008) para essas três moléculas são, respectivamente, 9,240 ± 0,002 ev, 8,144 ± 0,001 ev e 7,439 ± 0,006 ev, o que mostra que os valores teóricos obtidos para o benzeno e o naftaleno estão em bom acordo com os dados experimentais. Em razão da natureza transiente (instável) dos anions, as medidas diretas e indiretas da EA são difíceis de serem realizadas. No caso do benzeno, naftaleno e antraceno os melhores valores experimentais de AE são iguais a - 1,12 ± 0,03 ev, ± 0,02 ev e 0,530 ± 0,005 ev, respectivamente. A determinação teórica de EA é também muito difícil (De Proft, 2008), assim mesmo obtivemos neste estudo bom acordo com os valores experimentais empregando a metodologia Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

48 48 MP2, o que pode sugerir cancelamento favorável de erros compensando a deficiência desse método em recuperar a energia de correlação, comparada aos métodos mais rigorosos como CCSD(T). Todavia esse bom acordo para cálculos de IP e EA para o benzeno, naftaleno e antraceno sugere que esse método deve prever com relativa exatidão as propriedades eletrônicas IP e AE da molécula PLY e dos derivados dos triangulenos. Uma observação interessante é que o alto valor da AE do 6OPO (2,94 ev) (Tabela 2) indica que esse composto apresenta maior capacidade de receber o excesso de carga elétrica. Pelo que sabemos, não há valores experimentais e teóricos do PI e AE para os triangulenos, o que os tornam úteis como referência, para teóricos e experimentalistas. Podemos notar que há uma grande variação nos valores de IP e AE para o Br 3 TOT em relação aos demais derivados formados por Flúor e Cloro e não sabemos ainda ao certo se trata de um resultado correto ou um artefato do método. É interessante mencionar que os derivados do Br 3 TOT em estado sólido foram patenteados para a construção de baterias orgânicas de 2ª ordem (reversível), sendo uma das justificativas a alta capacidade de armazenamento de densidade de carga desses materiais (Morita, 2011). Na Tabela 3 são apresentados os valores de HOMO, HOMO-LUMO (H-L) (ev), R e (Å) (geometria de equilíbrio) e e (cm 1 ) (freqüência vibracional harmônica) obtidos com o método MP2/6-31+G(2d,2p) para os óxidos de metais de transição MO (M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu e Zn). Em nossos cálculos exploratórios com o dióxido metálico TiO empregamos também os funcionais B3LYP, M062X, e B2PLYPD e o método MP2 com o conjunto base 6-31+G(2d,2p), assim como foi usado como referência, de mais alto nível de cálculos, o método CCSD(T)/aug-cc-pVTZ. Os parâmetros HOMO (PI = -ε i ), R e e e foram comparados com os respectivos dados experimentais espectroscópicos da molécula de TiO no estado singleto. O método de alto nível CCSD(T)/aug-cc-pVTZ prediz valores de UE (unsigned difference) para os parâmetros HOMO (PI), R e e e iguais 0,58 ev, Å e 200 cm 1, respectivamente. Usando o método MP2 os valores de UE (unsigned difference), comparados aos valores experimentais, são iguais a 0,55 ev, 0,021 Å e 140 cm 1. Note que o maior desvio ocorre para a determinação da freqüência vibracional harmônica, que não é um parâmetro crítico para a seleção da metodologia deste estudo. No caso específico do TiO, o valor de PI calculado pela aproximação adiabática é igual a 7,01 ev que está muito próximo ao valor experimental de 6,82 ev. Os parâmetros da série de dióxidos metálicos MO que estão apresentados na Tabela 3 foram obtidos com o método MP2/631+G(2d,2p) e serão comparados com dados experimentais ou teóricos mais rigorosos para uma melhor validação dos mesmos. Tab. 3. Parâmetros dos óxidos MO. HOMO H-L R e e ScO 6,87 6,75 1, TiO 7,37 7,01 1, VO 9,42 9,22 1, CrO 7,98 7,96 1, MnO 7,38 7,12 1, FeO 9,32 8,34 1, CoO 11,92 11,32 1, NiO 10,21 9,25 1, CuO 9,20 8,61 1, ZnO 10,16 8,83 1, R e (Å): geometria de equilíbrio; e (cm 1 ): (freqüência vibracional harmônica) 4. Conclusões Neste trabalho, foram determinados parâmetros de estrutura eletrônica e das geometrias dos derivados de benzeno e de fragmentos do grafeno, em especial, conhecidos como triangulenos. Foi possível determinar as estruturas geométricas, potencial de ionização, eletroafinidade, e energias dos orbitais HOMO e LUMO, propriedades pouco estudadas para esses sistemas, e por isso os parâmetros obtidos com os diferentes DFTs e MP2 deverão ser Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

49 49 úteis para a comunidade científica das áreas teórica e experimental. Algumas moléculas estudadas neste projeto como o PLY e os triangulenos apresentam diferentes significativas de caráter radical (grau de reatividade química) (Morita, 2011). Por isso é importante calcular adequadamente os índices de reatividade (energias HOMO- LUMO, PI e AE) porque na ausência de dados experimentais, esses parâmetros podem ser usados como descritores de reatividade, como por exemplo, na modelagem de velocidades de reação oxidação em fase gasosa na combustão de diesel (De Proft, 2008). Agradecimentos Agradecemos aos colegas da informática pelo apoio e na manutenção da rede de internet, aos colaboradores do grupo de química quântica (ETER) do Departamento de Química do ITA, ao CNPq pela Bolsa PIBIT da estudante Izabella V. Mariotti e pelo auxílio financeiro, através do Projeto Universal n o /2012-0, pela aquisição dos servidores HP empregados neste trabalho. Referências MORGON, Nelson; Kaline, C. H. E, (Orgs.) Métodos de Química Téorica e Modelagem Molecular. Edit.: Editora da Livraria da Física, 1ª edição CARTER, Emily A.; Toroker C. Transition metal oxide alloys as potential solar energy conversion materials. Journal of Materials Chemistry A, v. 1, p , mar MORITA, Yaushi; Szuki. Shuichi; Sato, Kazunobu; Takui, Takeji. Synthetic organic spin chemistry for structurally well-defined open-shell graphene fragments. Nature Chemistry, v. 3, p , mar MACWEENY, R.; Doods, J. L. Orbital Energies and Koopman s Theorem in open-shell Hartree-Fock Theory. Chemical Physics Letters, v. 13, p. 9-12, fev MUSGRAVE, Charles B.; Zhang, Gang. Comparison of DFT for Molecular Orbital Eigenvalue Calculations. Journal of Physical Chemistry, V. 111, p , jan DE PROFT, F; Hajgató, B.; Deleuze, M. S.; Tozer, D. J. A benchmark theoretical study of the electron affinities of benzene and linear acenes. Journal of Chemical Physics, v. 129, p , ago Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

50 50 CALIBRAÇÃO DE IMAGENS UTILIZADAS EM CONTROLE DE ENSAIOS DE PROPRIEDADES MECÂNICAS I. K. L. Kam 1,2, R. H. M. Siqueira 2, R. Riva 2* Projeto: Soldagem a Laser de Estruturas Aeronáuticas/ CNPq-DT312975/ Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia - São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho é descrita uma metodologia de calibração de um sistema de aquisição de imagens de baixo custo, baseado em câmera de telefones celulares (smartphones) para medir variações dimensionais em ensaios de propriedade mecânicas de materiais. Foi desenvolvido um dispositivo de simulação de ensaios mecânicos para avaliar a capacidade da câmera e sua resolução para estimar os deslocamentos em ensaios de tração. A calibração das imagens e a avaliação da máxima resolução do sistema foram efetuadas comparando-se as dimensões digitais de uma imagem padrão impressa no corpo de prova com as dimensões reais deste padrão medidos com um paquímetro de precisão. Verificou-se que a maior ampliação das imagens sem distorção foi obtida com uma distância de 63 mm da câmera ao objeto. Nesta condição, o sistema permite avaliar uma área de ensaio de 59 mm x 44 mm, com uma resolução de imagem de 0,018 mm. Palavras-chave: Ensaios mecânicos, Câmera digital, Monitoramento de trincas, Extensômetro. 1. Introdução A medição de propriedades mecânicas dos materiais é feita através de diversos ensaios mecânicos como os de: tração, compressão, propagação de trinca, fadiga, etc. Em todos estes ensaios, é fundamental que seja medido um deslocamento ou uma deformação do material sob ensaio. O ensaio de tração é o tipo de ensaio mais comum durante os estudos. Este ensaio consiste em submeter um corpo de prova (CDP) do material a uma tensão suficiente para gerar uma deformação permanente a ruptura (Callister, 2007) no material de estudo. No ensaio de propagação de trinca, o CDP também é submetido à uma tensão, mas em valores abaixo do limite capaz de causar deformação (regime elástico). Em geral, num ensaio de tração, são utilizados extensômetros eletromecânicos ou strain gages para avaliar os deslocamentos dos ensaios. Mais recentemente vem sendo utilizados sistemas de aquisição de imagens capazes de avaliar os deslocamentos e deformações do material submetido aos ensaios mecânicos. A Fig. 1. mostra o arranjo experimental para a aquisição de imagens de propagação de trinca de um sistema comercial (que são caros) (Dantec Dynamics, modelo Q-400 DIC, visto em 11/05/2015) (http://www.dantecdynamics.com/q-400-dic) (Leitgeb et al, 2009). (a) (b) (c) Fig. 1.Ensaios de propagação de trinca. (a) Microscópio digital posicionado para monitoramento do CDP (Leitgeb et al, 2009) (b) Imagem adquirida pelo microscópio digital com iluminação difusa (Leitgeb et al, 2009). (c) Análise de deformação com gravação de padrão na amostra (Bhavikatti, 2011). O objetivo geral deste trabalho é avaliar a utilização de um sistema de aquisição de imagens de baixo custo, baseado em câmeras de telefones celulares (smartphones) na medição dos deslocamentos e deformações em ensaios de propriedade mecânicas de materiais soldados com laser. O primeiro passo neste desenvolvimento foi avaliar a resolução, a distorção e a capacidade das câmeras de telefones Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

51 51 celulares na medição das deformações que ocorrem nos ensaios mecânicos. Para efetuar esta calibração foi desenvolvido um dispositivo para simular os ensaios mecânicos e avaliar a resolução da câmera do telefone durante a evolução de trincas e deformações dos materiais submetidos a tensões. 2. Metodologia O simulador de ensaios de tração desenvolvido é mostrado no esquema da Fig. 2. Com este sistema é possível simular um ensaio de tração com materiais mais frágeis do que as placas de alumínio. Embora este não seja o sistema definitivo de monitoramento, ele permite, de forma mais simples, definir parâmetros e calibrar o sistema óptico de medição de propagação de trincas. de modo que o micrômetro do translador linear fizesse o mesmo movimento de uma máquina de tração, as cantoneiras de alumínio foram fixadas e utilizadas para prender o corpo de prova de um modo que não houvesse um deslizamento durante o teste. No mesmo espaço do corpo de prova, entre as cantoneiras de alumínio, também foi posicionado um paquímetro digital para facilitar a medida do deslocamento feito pela mesa equipada com o micrômetro durante os ensaios. A câmera foi fixada no suporte em ângulo que estava acoplado a um translador linear de precisão e ao poste. Com isto foi possível focalizar com precisão e sem inclinação a câmera utilizada na aquisição das imagens durante o experimento. Foram impressos em transparências de retroprojetor, com impressora jato de tinta, imagens dos corpos de prova. As imagens possuíam o mesmo formato de um corpo de prova preparado para um ensaio de tração, porém adaptados para atender as necessidades do experimento. Os corpos de prova possuíam algumas variações em relação ao desenho impresso conforme mostra a Fig. 3. Fig. 2. Esquema do simulador de ensaios de tração com o sistema óptico de aquisição de imagens. O sistema óptico de medição é composto por: (1) poste de 25,4mm; (2) cantoneiras de alumínio; (3) luminária de LEDs; (4) translador linear de precisão; (5) paquímetro digital; (6) corpo de prova impresso em papel e transparência de retroprojetor; (7) suporte em ângulo de 90º; (8) câmera digital (Smartphones Motorola Moto G e Apple iphone 6). Ambas as câmeras permitem adquirir imagens RGB 24 bits com uma resolução de 3264 x 2448 pixels. Todas as peças foram posicionadas em uma bancada e a montagem foi feita de acordo com o esquema da Fig. 2. Dessa forma, as peças foram fixadas com parafusos Fig. 3. Padrões de CDPs impressos em transparência. Os ensaios foram realizados com o corpo de prova fixado entre as cantoneiras de alumínio. O posicionamento da luminária de LEDs foi ajustado para garantir que não haveria alteração do nível de iluminação da imagem durante o ensaio. O smartphone foi posicionado para o ajuste do foco e com o aplicativo Lapse it Pro (Disponível para Android e ios) foi possível programar o intervalo de tempo de aquisição das imagens. As câmeras foram Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

52 52 operadas com resolução máxima de 8 Megapixels (3264 px x 2448 px). Durante o teste o CDP era submetido a um ensaio de tração e a cada foto adquirida, foi anotado o deslocamento do paquímetro até que o CDP se rompesse ou o micrômetro do translador atingisse o seu limite. Foram realizados dois tipos de calibração: a) Aquisição de imagem com a câmera a uma distância fixa b) Aquisição de imagem variando-se a distância da câmera (D cam ) em relação ao CDP. Nas câmeras utilizadas foi mantido o ajuste automático da focalização da imagem, que varia em função da sua distância à câmera Calibração da imagem com a câmera fixa Para realizar a calibração, primeiro foi necessário medir o grau de distorção do sistema óptico da câmera e isto foi feito através do software ImageJ no padrão mostrado na Fig. 4. Avaliou-se o grau de distorção com esta imagem padrão (Fig. 4) realizando-se cinco medições de um conjunto de 6 quadriculados em 3 diferentes posições do padrão (A-topo, B-centro e C- base). Fig. 4. Imagem padrão utilizada para calibração e medição de distorção do sistema óptico Calibração da imagem variando a distância focal Para esta calibração, foi impresso em folha sulfite um quadriculado como mostra a Fig. 5 para servir de imagem padrão e que fosse possível encontrar um fator de ampliação juntamente com a resolução máxima que a câmera do smartphone (Apple iphone 6) consegue medir. Fig. 5. Quadriculado impresso como imagem padrão. Foram obtidas imagens com a câmera afastada do padrão de imagem em cinco distâncias (D cam ) diferentes dentro dos limites do simulador. Na análise foram realizadas medições do comprimento de um quadrado em cada uma das condições nas quais foram obtidas as fotos. O quadriculado foi medido com um paquímetro digital, em mais de 20 diferentes posições, e obteve-se um valor médio para o comprimento do quadrado de 3,01 ± 0,02. As dimensões da imagem foram medidas utilizando-se a ferramenta de análise de perfil de intensidade do software ImageJ com imagens de 8 bits conforme mostrado na Fig. 6. As medidas do comprimento do quadrado impresso no CDP foram obtidas através das distâncias à meia altura entre os picos do gráfico conforme ilustrado com as setas na Fig. 6. Estas medidas foram realizadas em linha de ponta a ponta no quadriculado conforme indicado na Fig. 5, em cada uma das condições experimentais. Para que fosse possível obter uma relação entre as medidas realizadas no software, foi necessário medir o tamanho do quadrado impresso com o auxílio de um paquímetro. Fig. 6. Perfil gerado com base na reta traçada na região de interesse da foto adquirida. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

53 53 3. Resultados e Discussão 3.1. Calibração da imagem com a câmera fixa A Tab. 1 mostra o valor médio do comprimento da imagem padrão (em pixels) das medições realizadas nas três regiões da imagem padrão obtidas com o smartphone Motorola Moto G e um valor médio global. Tab. 1. Medidas obtidas para calibração na imagem padrão. Posição Comprimento [Pixels] Topo 135,9 ± 1,3 Centro 134,3 ± 0,6 Base 135,2 ± 1,1 Global 135,1 ± 1,1 Estes resultados indicam que o grau de distorção médio da imagem é da ordem 1 pixel, no limite de resolução do sensor da câmera. Para calibrar a escala real da imagem, foi utilizado o procedimento descrito anteriormente na seção 2.1. A Fig. 7 mostra três exemplos de imagens do corpo de prova em diferentes posições de deslocamento medidas com o paquímetro digital. Em cada uma das posições foi possível medir com o software ImageJ a distância em pixels do retângulo impresso no padrão traçando um segmento de reta entre as extremidades do retângulo, como indicado na Fig. 7. Esta distância foi comparada com a medida do paquímetro para se obter a resolução real do sistema em unidades de medida. (a) (b) (c) Fig. 7. Imagens do CDP durante o experimento nas posições do paquímetro (a) 0 mm, (b) 11,16 mm, (c) 25,77 mm. Com os dados obtidos em várias posições, foi possível comparar as distâncias medidas em pixels pelo software ImageJ com as medidas obtidas com o paquímetro. No gráfico da Fig. 8 está indicada a comparação das distâncias e também o resultado do ajuste dos dados experimentais com uma função linear. O coeficiente da função linear é expresso em unidades de Pixel/mm e indica o fator de calibração da escala da imagem. O valor médio do fator de calibração da escala é de 26,6 ± 2 px/mm. O valor de correlação da função de ajuste é R 2 = 0,99989 o que indica uma boa correlação da função de ajuste com as medidas realizadas. Com este sistema óptico pode-se garantir um tamanho mínimo de medida da ordem de 1 pixel, o que equivale nesta condição de imagem, a 0,04 mm. Fig. 8. Curva de calibração da distância em Pixels em função da distância medida pelo paquímetro em mm Calibração da imagem variando a distância focal Com este procedimento pode-se testar a variação da resolução da câmera e definir a curva de magnificação de imagem em função da distância da câmera ao objeto (distância focal). A Tab. 2 mostra os valores médios e suas variações das medidas realizadas em cada distância. Com estes valores obtidos, foi possível calcular o fator de ampliação de imagem (relação entre o tamanho do quadrado em pixels e o valor medido pelo paquímetro em milímetros (px/mm)) em cada uma das Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

54 54 condições do experimento como mostra a Tab.3. Após calcular a relação entre as duas unidades, ajustou-se uma função analítica aos dados experimentais que possibilita calcular o fator de ampliação em qualquer distância D cam dentro dos limites do dispositivo como mostra a Fig. 9. Tab. 2. Medidas obtidas para calcular o fator de ampliação. Distância [mm] Comprimento do quadriculado [px] 62,7 137,8 ± 2,4 70,5 129,0 ± 2,4 110,0 76,0 ± 1,0 116,6 75,1 ± 1,2 180,0 48,0 ± 0,7 Tab. 3. Relação pixels/milímetro calculada Distância focal [mm] Relação px/mm 62,7 45,78 ± 0,02 70,5 42,87 ± 0,02 110,0 25,23 ± 0,01 116,6 24,94 ± 0,02 180,0 15,94 ± 0,02 Como pode-se observar no gráfico da Fig. 9. a curva de tendência calculada descreve com boa precisão os dados experimentais. O fator de ampliação em função de D cam, é descrito pela Eq. (1): ; (1) Onde D cam é a distância em mm da câmera em relação ao objeto. Fig. 9. Fator de ampliação da imagem em função da distância da câmera (D cam ) ao CDP. O ajuste dos dados experimentais estabeleceu um valor de A = 3.272,7 px/mm e b = -1,027. O fator de correlação mostrou um valor R 2 = 0,9957. O fator de ampliação da imagem é inversamente proporcional a distância da câmera em relação ao objeto e assim é possível calcular o limite de resolução da câmera em qualquer distância focal, de acordo com a Eq. (2): (2) A Tab. 4. mostra os limites de resolução, a incerteza de medição e o tamanho máximo de imagem obtido para a câmera utilizada nos experimentos em cada distância (D cam ). Conforme mostra a Tab. 4, é possível observar que o atual conjunto consegue realizar medidas com resolução mínima de 0,018 mm, para uma imagem com uma dimensão máxima de 58,75 mm x 44,06 mm. Tab. 4. Limite de resolução e dimensão máxima de imagem em função da distância da câmera ao CDP. D cam [mm] Dimensão máxima [mm X mm] Limite de resolução [mm] 62,7 58,75 x 44,06 0,018 70,5 75,07 x 56,30 0, ,0 124,03 x 93,02 0, ,6 130,56 x 97,92 0, ,0 205,63 x 154,22 0,063 Estas dimensões são inferiores aquelas medidas em corpos de prova de tração em alumínio soldado (Siqueira, 2012) e, portanto este sistema poderia ser utilizado na medição de deslocamento ou deformação em ensaios de tração. A resolução de 0,018 mm é inferior a de um extensômetro comercial (~0,002 mm), mas ainda assim a é suficiente para determinar os parâmetros básicos deste tipo de ensaio como a tensão de deformação e o módulo elástico, por exemplo. Na medição de propagação de trincas previstas na soldagem a laser, o corpo de testes prevê uma dimensão máxima de extensão da trinca da ordem de 20 mm. Com este sistema, a resolução de imagem seria de 0,018 mm, o que também é Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

55 55 suficiente para determinar os parâmetros básicos do ensaio. Se necessário, a resolução do sistema ainda pode ser melhorada com lentes de baixo custo acopladas a câmera que aumentam a sua magnificação em até 10X, o que tornaria este sistema competitivo com os comerciais. 4. Conclusões Com o presente estudo, foi possível desenvolver dois métodos de calibração de imagens adquiridas com uma câmera de smartphone e avaliar o seu potencial e limites de utilização em acompanhamento de ensaios mecânicos. A resolução da câmera é inferior a dos sistemas comerciais, mas o valor de resolução de 0,018 mm (para uma distância até o objeto de aproximadamente 63 mm) ainda permite sua utilização em substituição a extensômetros mecânicos e pode ser usada para avaliar deformações nos materiais soldados dentro deste limite. Os resultados obtidos mostram que a câmera do celular tem potencial para ser utilizada no controle de ensaios mecânicos e deve motivar o desenvolvimento de programas dedicados para este fim. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de iniciação científica PIBIC-IEAv. Processo: / Referências BHAVIKATTI, S.; BHAT, M.R.; MURTHY, C.R.L. Fatigue crack growth monitoring in Ti-6Al- 4V alloy using acoustic emission technique and digital image correlation. Journal of Non- Destructive Evaluation, v. 9, n. 4, p 42-46, CALLISTER JR, W. D. Mechanical Properties of Metals. In Materials Science and Engineering: An introduction. New York: John Wiley & Sons, p LEITGEB, A. et al.; Analysis of Short Crack Growth for Two Representative Light Metals. In: 12th INTERNATIONAL CONFERENCE ON FRACTURE, Ottawa, July 12, 2009, Proceedings of ICF12, 2009, p SIQUEIRA, R. H. M. Caracterização mecânica e microestrutural de juntas de alumínio 6013 T4 soldados a laser Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Engenharia de Materiais, Universidade Estadual Paulista, Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. SIQUEIRA, R.H.M. et al. Mechanical and microstructural characterization of laser-welded joints of 6013-T4 aluminum alloy. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, v. 37, n. 1, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

56 56 CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO: ANÁLISE DA POROSIDADE PARA DIFERENTES TEMPERATURAS DE SÍNTESE DA RESINA PRECURSORA L. C. G. Nagaki 1*, A. J. Damião 2, J. F. R. Siqueira 3, F. Nascimento 3 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. 3 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho trata-se do desenvolvimento de uma tecnologia de ponta para a fabricação de superfícies ópticas de precisão. Cada passo do processo de obtenção do material implica diretamente nas suas propriedades mecânicas, térmicas e elétricas. O uso de substratos rígidos e de baixa massa específica é essencial para sistemas de imageamento aeroembarcados, onde a massa da carga desempenha papel essencial. Neste projeto, foram desenvolvidos substratos de Carbono Vítreo Recarbonizado (CV-R) para aplicações aeroembarcadas, com enfoque na primeira etapa da produção deste tipo de substrato, que é a síntese da resina furfurílica, precursora do CV-R. Foram produzidas resinas em diferentes faixas de temperatura e a partir destas resinas, foram produzidas amostras de substratos de CV-R, tal que estas amostras pudessem ser analisadas quanto à porosidade apresentada. Palavras-chave: Carbono Vítreo, Resina furfurílica, Carbono vítreo recarbonizado, Porosidade. 1. Introdução Para sistemas de imageamento aeroembarcados rigidez e baixa massa específica são propriedades essenciais, sendo de muito interesse a melhor otimização de massa possível, pois a massa da carga paga (payload) desempenha papel essencial. O carbono vítreo apresenta tais propriedades com densidade em torno de 1,5 g/cm 3 (Damião et al., 2011). Este material é chamado de vítreo devido ao aspecto brilhante que apresenta ao ser polido ou fraturado e, também, por sua fratura ser semelhante à fratura do vidro, ou seja, do tipo conchoidal (Rezende; Ferrari, 1998). Neste projeto este material foi desenvolvido em sua forma recarbonizada (CV-R). Parte-se do álcool furfurílico, para produção da resina furfurílica, que é precursora do carbono vítreo monolítico (CVM), que é catalisada para que ocorra sua polimerização. A seguir o CVM é moído e obtêm-se um pó, ao qual é adicionado mais resina. Após prensagem, o material é recarbonizado. A síntese da resina é ponto inicial e essencial para as propriedades finais apresentadas pelo CV-R, exigindo assim rígido controle do processo. Trata-se de uma reação exotérmica, que pode sair de controle muito rapidamente. A temperatura de síntese é fator determinante em toda a continuidade do processo, pois influencia diretamente na viscosidade da resina, que por sua vez, influencia as propriedades finais que o CV-R apresenta, como resistência mecânica, por exemplo. Este trabalho estuda características apresentadas por amostras de CV-R, produzidas a partir de resinas com temperaturas de síntese diferentes. 2. Metodologia As atividades experimentais realizadas estão descritas a seguir, divididas em: Produção das resinas; Catálise das resinas; Carbonização das resinas; Moagem e Análise granulométrica; Conformação das amostras; Recarbonização; Teste de Arquimedes. Por se tratar de um novo material, estas etapas constituem o desenvolvimento de um processo tecnológico Produção das Resinas Foram sintetizadas resinas nas temperaturas de 65 ⁰C (duas resinas), 72 ⁰C, e 113 ⁰C. Para a síntese, utilizou-se um Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

57 57 reator, formado por uma carcaça de aço inox, com agitador interno, travas de segurança, sistema de resfriamento, termopar e placa de aquecimento. Colocouse 1,8 l de álcool furfurílico no reator. O reator foi fechado corretamente, ajustando-se as travas de segurança. Um termopar foi instalado de forma a estar em contato com o álcool, ou seja, internamente ao reator, através de um orifício, e outro termopar em contato com o banho de água (externo). Quando o sistema atingiu 32 C, adicionouse uma solução de ácido sulfúrico (0,5 M) através de um orifício na tampa do reator. As temperaturas, interna (temperatura de reação) e externa (banho-maria) ao reator, foram monitoradas a cada 5 minutos, para evitar que se perdesse o controle da reação, já que se trata de uma reação exotérmica e apresenta comportamento de delicado controle. Quando o sistema atingiu a temperatura desejada, ligou-se o resfriamento, para cessar a reação. Após a retirada das resinas do reator, verificou-se a presença de água em sua superfície, caracterizando duas fases, como mostrado na Figura 1. A água foi retirada utilizando-se uma pipeta e então a resina se uniformizou. endurecimento leva em média 7 dias. Ao endurecer, as resinas apresentaram aspecto apresentado na Figura 2. A diluição uniforme do ácido na resina é tão mais difícil, quanto maior a sua viscosidade. Fig. 2. Aspecto da resina polimerizada Carbonização da resina A resina polimerizada foi levada a um forno composto por um tubo de alumina, programado com uma rampa de aquecimento e resfriamento apresentado na Figura 3. O carbono vítreo monolítico é obtido a 1000 ⁰C, em atmosfera de nitrogênio, sendo resfriado no próprio forno. Fig. 1. Aspecto da resina ao sair do reator, antes de se retirar a água remanescente Catálise das resinas A catálise da resina é uma etapa fundamental, pois permite a aceleração da polimerização. As resinas foram catalisadas com 2% em massa de uma solução de ácido para-toluenossulfônico, com concentração de 60% (m/v). A catálise foi feita misturando-se a resina com a solução de p- toluenossulfônico. Posteriormente a resina foi colocada em um recipiente para que polimerizasse ou curasse à temperatura ambiente, tal que o processo de Fig. 3. Forno tubular de alumina. A carbonização da resina faz com que o se obtenha maior teor de carbono possível, de modo que outros componentes, como por exemplo, água, hidrogênio e gás carbônico sejam eliminados das cadeias carbônicas Moagem e Análise granulométrica O material carbonizado foi moído no moinho de bolas para ser transformado em pó. A análise granulométrica foi realizada através da técnica de peneiramento. Esta técnica consiste em um jogo de peneiras, mostrado na Figura 4, com aberturas de 106, 75, 63, 53, 38, 25 e 20 µm, respectivamente. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

58 58 Fig. 4. Jogo de peneiras Conformação das amostras As amostras foram conformadas primeiramente separando-se uma quantidade de pó e 25% em massa de resina furfurílica catalisada com 2% de solução de ácido p- toluenossulfônico. O pó e a resina foram misturados, utilizando-se o moinho de bolas, para uniformização. Posteriormente, esta mistura foi separada em recipientes, contendo a quantidade de massa destinada a cada amostra. A prensagem foi realizada utilizando-se uma matriz, mostrada na Figura 5, lubrificada com estearina (a estearina também foi preparada no laboratório, a partir de querosene de aviação e ácido esteárico sob agitação). Fig. 5. Matriz utilizada na prensagem. A quantidade separada de material (mistura de pó e resina) foi colocada cuidadosamente dentro da matriz lubrificada e a prensagem foi realizada de maneira uniaxial, solicitando-se primeiramente carga de 2 toneladas e mantendo por 20 segundos, para a desaeração e primeira etapa de acomodação entre as partículas, em seguida foi solicitada uma carga 8 toneladas, a qual é mantida por 1 minuto. Posteriormente, inverteu-se a posição da matriz e prensou-se novamente com uma carga de 8 toneladas e manteve-se por 1 minuto Recarbonização A recarbonização consiste na carbonização das amostras, que contém 25% de resina furfurílica sem carbonizar. Nesta etapa, é importante que se recubra as amostras com pó de grafite, para evitar a quebra das mesmas, devido a gradientes de temperatura. Após a recarbonização, o material é chamado de Carbono Vítreo Recarbonizado (CV-R) Teste de Arquimedes O teste de Arquimedes foi o método utilizado para determinar a porosidade das amostras. Este teste foi realizado conforme a norma ASTM C20-00 (intitulada Standard Test Methods for Apparent Porosity, Water Absorption, Apparent Specific Gravity, and Bulk Density of Bruned Refractory Brick and Shapes by Boiling Water) que consiste na medição da massa das amostras em diferentes situações, sendo massa seca (Ms), massa úmida (Mu) e massa imersa (Mi). Primeiramente as amostras foram pesadas, determinando-se Ms. Então, as amostras foram imersas em querosene de aviação e colocadas em uma bomba de vácuo e mantidas por aproximadamente 2 horas, para que o querosene penetrasse em todas as cavidades e poros contidos na amostra. Para a determinação de Mi, as amostras foram pesadas enquanto imersas, utilizandose o aparato experimental descrito pela norma ASTM 20-00, demonstrado na Figura 6. Já Mu, foi medida após as amostras serem retiradas do querosene e secas com um tecido úmido. Obtendo-se Ms, Mi e Mu, calculou-se parâmetros como o volume exterior e o volume de poros abertos, ambos em cm 3, a partir das equações (1) e (2), respectivamente, porosidade em porcentagem (3), absorção em porcentagem (4) e densidade em g/cm 3, (5). Vol. Exterior = Mu Mi (1) Vol. de poros abertos = Mu Ms (2) (3) (4) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

59 59 (5) Fig. 6. Aparato experimental utilizado no teste de Arquimedes. 3. Resultados e Discussão Através da análise granulométrica por peneiramento, verificou-se que o pó ficou contido nas peneiras de 38 e 25 µm, indicando que os grãos apresentam diferentes tamanhos, próximos a estes diâmetros e maiores que 25 µm. As amostras conformadas apresentam o aspecto mostrado na Figura 7. Fig. 7. Amostras conformadas. As tabelas abaixo mostram os resultados do teste de Arquimedes, sendo que para cada temperatura, 6 amostras foram analisadas e foi realizada uma média dos valores dos dados obtidos. A tabela 1 mostra a média dos respectivos volumes e volumes de poros abertos. Analisando-se os dados apresentados nas tabelas, percebe-se que as amostras feitas a partir da resina com temperatura de síntese igual a 65 ⁰C apresentam porosidade de 18%, as de 72 ⁰C, de 15%, e as de 113 ⁰C, de 19%, mostrando que a porosidade não é proporcional às temperaturas. Esta desproporcionalidade pode ser verificada também na absorção e na densidade, sendo que a resina com temperatura de síntese de 72 ⁰C (temperatura intermediária), apresentou maior densidade, igual a 1,41 g/cm3, porém menor porosidade a absorção. Tab. 1. Resultados obtidos através do teste de Arquimedes, referentes ao volume médio e ao volume de poros abertos. Temperatura (⁰C) V (cm 3 ) V poros abertos (cm 3 ) 65 4,25 0, ,80 0, ,69 1,10 Tab. 2. Resultados obtidos através do teste de Arquimedes, referentes à porosidade (P), absorção (A) e densidade (D). Temperatura (⁰C) P (%) A (%) D (g/cm 3 ) ,88 1, ,59 1, ,68 1,31 4. Conclusões A partir do estudo realizado, percebe-se que as amostras feitas a partir da resina com temperatura de síntese igual à 72 ⁰C apresentam a menor porosidade, com 15%, caracterizando-se a melhor temperatura de síntese entre as analisadas. A baixa porosidade indica melhores propriedades, como maior dureza e maior resistência mecânica. Como próximo passo, serão realizadas as medições das viscosidades das resinas produzidas. Agradecimentos Ao CNPq e ao IEAv pela contemplação da bolsa e pela oportunidade e ao grupo de pesquisa, por todo o apoio e aprendizado. Referências DAMIÃO, A. et al. Carbono Vítreo para aplicação em dispositivos ópticos aeroespaciais. 6 0 Congresso brasileiro de engenharia de fabricação. Caxias do Sul, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

60 60 REZENDE, M. C.; FERRARI, P. E. Carbono Polimérico: Processamento e aplicação. Polímeros, vol.8, ORIGO, F. D.; DAMIÃO, A. J. Vitreous carbon obtained from glassy carbon powder: advantages and disadvantages. In: The annual World Conference on Carbon, Rio de Janeiro. Carbon Program and Abstracts (CD). Brazilian Carbon Association, v. 1, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

61 61 DESENVOLVIMENTO DE UM PRÉ-PROCESSADOR PARA O PROGRAMA COMPUTACIONAL COBRA-EN R. E. Borges¹, F. A. Braz Filho²* Projeto TERRA. ¹Faculdade de Tecnologia - Análise e Desenvolvimentos de Sistemas, São José dos Campos SP. ²Instituto de Estudos avançados Divisão de Energia Nuclear, São José dos Campos SP. Resumo O Instituto de Estudos Avançados (IEAv), na Divisão de Energia Nuclear, realiza pesquisas em reatores nucleares para produção de energia elétrica em dispositivos espaciais, tais como sondas interplanetárias, estações espaciais, etc. O sistema em desenvolvimento no IEAv é conhecido como Projeto TERRA. O reator nuclear do Projeto TERRA consiste basicamente de uma pequena usina térmica onde o calor é gerado por reações de fissão num dispositivo conhecido como núcleo do reator. Um dos primeiros passos para a P&D de reatores nucleares é simular através de softwares disponíveis os diversos sistemas que compõem este equipamento. Um dos softwares que simulam os fenômenos de transferência de calor e escoamento que ocorrem no núcleo de um reator nuclear é o COBRA-EN. O objetivo do trabalho é construir um pré-processador para que os dados sejam lidos, organizados e examinados, para que depois seja criado um arquivo de entrada de dados necessário à execução do COBRA-EN. Palavras-chave: Simulação, Programação Computacional, Termo-hidráulica, COBRA- EM, Núcleo de Reatores Nucleares. 1. Introdução No Brasil existem usinas nucleares como Angra I (Eletronuclear, 2015) e Angra II que estão em operação. Juntas, as usinas possuem 1990 MWs de potência, sendo capaz de atender cerca de 3 milhões de habitantes. Angra III que esta em fase de construção terá 1405 MWs de potência e foi projetada de forma similar a Angra II, porem com uma tecnologia mais moderna. A central nuclear, onde estão localizadas as usinas nucleares brasileiras na região sudeste, tem um papel importante na produção de energia elétrica, representando cerca de 3% da produção nacional. O Brasil também possui diversos estudos na área de energia nuclear em diferentes institutos, como por exemplo, o projeto TERRA (Guimarães, 2011) que esta sendo desenvolvido no Instituto de Estudos Avançados (IEAv). TERRA é um projeto da Força Aérea Brasileira que visa obter conhecimento e tecnologias para o desenvolvimento de um reator nuclear para a geração de energia elétrica e efeito propulsivo nos dispositivos espaciais brasileiros. O reator nuclear do Projeto TERRA consiste basicamente de uma pequena usina térmica onde o calor é gerado por reações de fissão num dispositivo conhecido como núcleo do reator. Inicialmente pretende-se projetar através de simulação computacional os vários componentes da micro usina nuclear do projeto TERRA através dos softwares existentes no IEAv. O COBRA-EN (Basile, 1987) é um dos softwares utilizados pela sub-divisão de Transferência de Calor e Matérias (ENU-T) para análise termo-hidráulica do núcleo de reatores nucleares. Ele foi desenvolvido entre as décadas 70 e 80 em uma linguagem de programação chamada FORTRAN e, ainda é utilizado para licenciamento de núcleos de reatores nucleares devido à sua confiabilidade para a análise termohidráulica. Um dos problemas da utilização do COBRA-EN é que, devido ao seu desenvolvimento em linguagem FORTRAN, ele possui uma grande e complexa entrada de dados, em que a digitação dos números é feita em formato fixo, com cada variável do problema digitada em um intervalo específico. Uma única análise pode requerer centenas de dados. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

62 Objetivo O objetivo deste trabalho é desenvolver um software, em linguagem C/C++ da Borland (Borland, 2002), para facilitar e minimizar os erros cometidos na entrada de dados do COBRA-EN. Pretende-se desenvolver um pré-processador onde os dados são lidos, organizados e examinados, para que depois seja criado um arquivo de entrada de dados necessário à execução do COBRA-EN. 2. COBRA-EN O COBRA-EN é um software que resolve as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através do método conhecido por análise de subcanal. A partir das condições de contorno, vazão e temperatura de entrada, distribuição de potência e pressão de saída, o COBRA-EN calcula a distribuição de temperatura na vareta de combustível e refrigerante, e as velocidades e pressões no refrigerante. O COBRA-EN pode realizar análise tanto em regime permanente como em transitórios, como, por exemplo, na ocorrência de acidentes de perda de refrigeração ou aumento de potência do reator. A entrada de dados para uma simulação é constituída basicamente de dados geométricos do núcleo, propriedades dos materiais, distribuição de potência, condições de contorno, escolha dos métodos de solução e escolha de uma série de equações constitutivas que completam o modelo. Dependendo da configuração do núcleo, o programa computacional COBRA- EN pode ser utilizado para análise termohidráulica do micro reator nuclear em desenvolvimento no projeto TERRA. 3. Metodologia O pré-processador tem como objetivo coletar as informações necessárias para o programa COBRA-EN através de funções e sub-rotinas dispostas no algoritmo. Os dados do COBRA-EN são divididos em subconjuntos, por exemplo, propriedades de materiais, distribuição de potência, etc. Foi projetada uma sub-rotina para ler cada subconjunto de dados. Existem restrições para cada dado de entrada e o préprocessador verifica se os dados estão corretos de acordo com o manual do COBRA-EN. Para diminuir os erros e facilitar a entrada de dados, as funções estão ligadas entre si, pois alguns dados dependem de entradas anteriores. O pré-processador procura estabelecer um ambiente amigável ao usuário, instruindo-o a fornecer dados de acordo com o manual e não permitindo, dentro do possível, uma entrada errada. Após os dados serem interpretados o programa gera um arquivo de saída em que as informações estão padronizadas de modo a serem aceitas pelo programa COBRA-EN. Existe a possibilidade do usuário salvar parte da entrada de dados em um arquivo, para que estes dados sejam terminados numa futura seção. O ambiente gráfico para entrada de dados é constituído de uma janela do sistema operacional DOS. A Fig. 1 apresenta um diagrama de blocos simplificado que representa a estrutura do pré-processador. Fig. 1. Diagrama de blocos. 3.1 Estrutura de manipulação de arquivos Para o desenvolvimento do préprocessador, inicialmente, foi construído uma estrutura de manipulação de arquivo, para que seja possível o programa oferecer duas opções de utilização: criar um arquivo novo ou utilizar uma entrada de dados já existente, a Fig. 2 mostra como é o menu Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

63 63 apresentado no inicio da utilização do software, para a escolha do arquivo. Fig. 2. Menu de escolha do arquivo. Para que essa estrutura funcione corretamente, foi necessária a formulação de uma função de leitura de arquivos, onde o arquivo é lido e interpretado para que todos os dados já escritos nele sejam transformados em dados compatíveis com o programa. Os dados do programa são estruturados e divididos em cartões e em cada cartão é preenchido um tipo de dado, portanto quando há a necessidade de se continuar preenchendo um arquivo já existente, também é necessária que a função de leitura de arquivos interprete quais cartões foram preenchidos e quais ainda restam ao usuário terminar de preencher. de dados a principal função do programa é verificar todas possíveis entradas que o usuário poderá fornecer, indicando os erros e restrições de dados para que não haja conflito de dados com cartões anteriores ou posteriores. A Fig. 3 possui um exemplo de preenchimento de um cartão. 3.3 Análise e processamentos de dados Durante a execução do programa, o usuário irá determinar um entre vários tipos de análises possíveis no COBRA-EN, sendo que alguns cartões são necessários apenas para certo tipo de análise, fazendo que outra função do pré-processador seja analisar constantemente os dados preenchidos pelo usuário para determinar quais cartões deverão ser preenchidos. Após o usuário fornecer os dados para determinado cartão, ele voltará sempre para o mesmo menu, chamado de menu principal. Neste menu, o usuário poderá, mesmo sem ter preenchidos todos os cartões, escolher sair do programa e salvar os dados já fornecidos gerando um arquivo de saída. A Fig. 4 apresenta o menu principal do programa. Fig. 3. Instruções para o preenchimento de um dado do cartão Entrada de dados Para cada cartão do programa um tipo de dado é solicitado ao usuário, portanto, há uma série de diferentes regras que são impostas ao usuário através do manual do programa COBRA-EN. Estas regras podem ser interpretadas nas instruções de determinado cartão ou podem depender de combinações de dados já fornecidos em cartões anteriores, sendo assim, na entrada Fig. 4. Menu principal do programa. 3.4 Arquivo de saída Após o usuário finalizar e fornecer os dados necessários para preencher os cartões, o software gera um arquivo de saída onde estarão todos os dados já organizados e padronizados para serem utilizados no programa COBRA-EN. No arquivo de saída há números em uma determinada sequência que correspondem às perguntas respondidas no pré-processador, alguns destes números correspondem a uma unidade de medida ou a uma alternativa apresentada no programa. Na Fig. 5 podemos observar um exemplo de arquivo Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

64 64 de saída do pré-processador, onde cada um dos dados esta posicionado exatamente no lugar onde o COBRA-EN poderá identificálo corretamente. Fig. 5. Arquivo de saída. 4. Resultados O COBRA-EN possui em seu manual de utilização várias regras e orientações para o uso do software, além disso, possui exemplos de entradas de dados e suas respectivas saídas para que o usuário possa aprender a utilizar o software e observar os dados de saída de determinada entrada. Para a validação do pré-processador foram realizados um conjunto de testes, onde foi necessário se basear nos exemplos do manual do COBRA-EN para verificar se os dados estavam sendo corretamente formatados. 5. Conclusões O pré-processador possui diversas vantagens na sua utilização, entre elas podese destacar que os dados serão coletados com uma maior segurança, pois os dados são analisados a cada vez que são fornecidos ao programa; uma maior rapidez, devido à facilidade de entendimento dos valores que deverão ser fornecidos; e da ausência da necessidade de escrever o arquivo de saída, pois o mesmo é gerado pelo programa. O pré-processador foi projetado com a possibilidade de ser modificado para um ambiente gráfico de janelas do WINDOWS e ter uma automatização de entradas mais amigável. Agradecimentos Os autores gostariam de agradecer ao IEAv pela disponibilização de equipamentos e estrutura para o desenvolvimento do projeto e ao CNPq pelo auxílio financeiro fornecido. Referências ELETRONUCLEAR, acessado em 11 de maio de Disponível em: alnuclear.aspx, GUIMARÃES, L.N.F.; ONO, S.; NASCIMENTO, J. A fuel, structural material and coolant for an advanced fast micro-reactor. In ABEN, editor, International Nuclear Atlantic Conference (INAC 2011), BASILE D.; et al. COBRA-EN an upgraded version of the COBRA-3C/MIT code for thermalhydraulic transient analysis of light water reactor fuel assemblies and cores. ENEL-CRTN compartimente di Milano, BORLAND SOFTWARE CORPORATION, C++ Builder Developer s Guide, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

65 65 DETECÇÃO DE ASFALTO EM VIDEOGRAFIAS AÉREAS OBTIDAS POR VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADO F. B. Campos 1, 2,*, M. Habermann 2, E. H. Shiguemori 2 Projeto: PITER. 1 Universidade Federal de São Paulo UNIFESP, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho é abordada a detecção de ruas de asfaltos por meio de imagens obtidas por Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) utilizando técnicas de Processamento de Imagem e Visão Computacional. Foi empregada a informação de cor das imagens, adotando-se o modelo RGB. Porém, além das ruas, outros objetos na cena podem ter a mesma cor das ruas, assim outro atributo da imagem é considerado, a saber, a textura. Com isso, o objetivo deste trabalho é conseguir chegar a uma operação lógica que realize um ajuste automático dos parâmetros para que no final seja possível sobrevoar um local e realizar o mapeamento das ruas dessa área de forma autônoma. Palavras-chave: VANT, Processamento de Imagens, Visão Computacional, detecção de asfalto. 1. Introdução Existem vários conjuntos de técnicas que facilitam a detecção de objetos na superfície terrestre, um exemplo é o Sensoriamento Remoto, que é uma técnica para obter informações sobre objetos através de dados coletados por instrumentos que não estejam em contato físico com os objetos investigados. Variados sensores podem ser empregados, entre eles os multiespectrais. Eles operam com uma imagem Multibanda (ou multiespectral) e com várias faixas do espectro eletromagnético, não só a parte da luz visível, o que facilita a detecção dos objetos (DPI/INPE, 2006). O objetivo deste trabalho consiste em estudar e testar técnicas de Processamento de Imagens em Tempo Real (PITER) e Visão Computacional na detecção automática de ruas de asfalto em videografia aérea obtida por VANT. Como as ruas de asfalto, em geral, têm uma cor característica, cinza, optou-se por usar a informação de cor da imagem através do espaço de cubo RGB. Porém, além das ruas, outros objetos na cena podem ter essa mesma cor, assim outro atributo da imagem é considerado, a saber, a textura, a qual é medida por meio da entropia (Pedrini, 2008). 2. Materiais e Métodos A identificação automática de rodovias e ruas em imagens obtidas por VANTs é um tema abordado na literatura, usando, por exemplo, técnicas de poda de grafos para extrair com precisão uma região da estrada e utilizando homografia de rastreamento para a escolha do caminho. 2.1 Espaço de Cores Diagrama de Cromaticidade Existem diversas teorias sobre a visão das cores, e a teoria mais aceita insinua que existem três tipos de receptores (cones) em nossos olhos sensíveis à luz vermelha, verde e azul. Em 1931 a CIE (Commission Internationale d Eclairage) definiu três cores primárias, X, Y e Z, denominadas valores triestímulos. A vantagem destas com relação às funções das cores primárias vermelha, verde e azul, reside no fato de não haver valores (pesos) negativos. Uma representação gráfica dos coeficientes tricromáticos recebeu o nome de diagrama de cromaticidade, vide Fig. 1. O triângulo localizado no interior do diagrama de cromaticidade delimita a região onde estão todas as cores que as cores primárias aditivas (vermelho, verde e azul) são capazes de reproduzir. Esse triângulo é denominado gamut, cujos vértices situam-se sobre cores primárias (Souto, 2000) Espaço de Cores RGB A partir do diagrama de Cromaticidade foi criado o espaço de cores RGB restrito às cores delimitadas pelo gamut. Ele foi Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

66 66 baseado em um sistema de coordenadas cartesianas, em que o espaço de cores é delimitado por um cubo, como mostra a Fig. 2. Os eixos do cubo, que variam de [0,1] são representados pelas cores primárias vermelha (R, red), verde (G, green) e azul (B, blue) onde o vértice junto à origem (0,0,0) representa o preto, e o mais afastado da origem (1,1,1) corresponde ao branco, e sobre a diagonal que os liga estão localizados todos os tons de cinza (Gonzales, 2008). processo probabilístico. Uma imagem pode ser considerada como o resultado de um processo aleatório, no qual a probabilidade, de acordo com Eq. (1), corresponde à probabilidade de um pixel em uma imagem digital assumir um valor de intensidade. A distribuição dos níveis de intensidade da imagem pode ser transformada em uma função densidade de probabilidade, dividindo-se o número de pixels de intensidade, denotado por, pelo número total de de pixels na imagem, ou seja (1) Em que A entropia de uma imagem pode ser calculada como (Shannon, 1948) Fig. 1. Diagrama de Cromaticiade do CIE. FONTE: (Souto, 2000). (1.1) (a) (b) (c) (d) Fig. 2. Espaço de Cores RGB. 2.2 Entropia em Imagens O princípio fundamental da teoria de informação estabelece que a geração de informação possa ser modelada como um (e) Fig. 3. Níveis de entropia. A entropia de uma imagem é uma medida positiva e, quando a base do logaritmo for dois, a unidade resultante é dada em bits (Pedrini, 2008). A Fig. 3 mostra os diferentes valores de entropia, onde os valores mínimo e máximo de entropia são Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

67 67 ilustrados nas Fig. 3(a) e Fig. 3(e), respectivamente. Valores intermediários são mostrados na Fig. 3(b) a Fig. 3(d). A entropia não está relacionada com a disposição espacial dos pixels, vide Fig. 3(b) e Fig. 3(c), em que as duas imagens possuem o mesmo valor de entropia e a mesma quantidade de pixels, porém, distribuídos espacialmente de maneira diferente Considerações acerca dos valores de entropia Seja S uma sub-imagem da Imagem I de dimensão n². A entropia H em relação ao pixel (i, j), que é o centro da janela, dá-se pela Eq. (1.1): Valor máximo de entropia: Ocorre quando o valore de todos os elementos for diferente, ou seja,, r s, então, e, ao se calcular a frequência relativa de, por exemplo, encontra-se o valor. Nesse caso, temos o valor máximo de entropia e ele dependerá do tamanho da janela, quanto maior a janela menor será este valor, vide Fig. 4. Em que é a frequência relativa das intensidades em S. Sejam,..., os elementos de S. Prova: (1.2) Para se maximizar, realiza-se a derivada parcial em relação a, assim Assim, Logo, Então Nesse ponto há duas situações: Valor mínimo de entropia: Ocorre quando o valor de todos os pixels forem iguais a 1, ou seja,. Acontece quando, r s, nessa situação temos. Fig. 4. Gráfico: Tamanho da Janela (n²) x Entropia (H). FONTE: Gerado no programa MATLAB R2014a. 3. Resultados e Discussão Há evidências de que tons de cinza definem grande parte dos padrões asfalto. Neste estudo busca-se encontrar as composições RGB de intensidades próximas entre si (i.e. [145,142,144]), dentro de um intervalo, ou faixa determinado constante (5%), até que se consiga calcular de forma automática. Tons de cinza muito próximos ao preto (valores baixos) ou muito próximos ao branco (valores altos) serão excluídos; dessa maneira, foram realizados testes com vários tipos de asfalto, desde o mais claro até o mais escuro, para encontrar qual o intervalo da diagonal principal que mais adequada ao problema. No entanto, não são somente os padrões de asfaltos que têm essa característica, existem alguns objetos (não_rua_de_aslfato) que também atendem a esses valores. Como é desejado classificar somente o asfalto, foi necessária a utilização de um atributo da imagem para distinguir rua_de_asfalto de não_rua_de_asfalto, com Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

68 68 uso do cálculo da entropia H da Eq. (1.1). Como as ruas de asfalto possuem uma textura mais homogênea, seu valor da entropia será baixo, o que auxilia na classificação. No que concerne aos experimentos, foram testados diferentes limiares nos tons de cinza entre as bandas RGB em diferentes imagens, conduzidos manualmente. O foco foi descobrir quais parâmetros desses dois atributos (cor e entropia) proporcionariam a melhor separação entre as classes rua_de_asfalto e não_rua_de_asfalto. (a) (b) Fig. 5. Imagens Aéreas. (a) (b) Fig. 6. Imagens Processadas. No experimento, foram aplicados os mesmos parâmentros nas Fig. 5(a) e 5(b) -, = 6%; valores de tons de cinza dentro do intervalo = [144, 222]; = 1,1 e Tamanho da janela = 9. Quando testado na Fig. 5(a), conseguiu-se aumentar a detecção de ruas_de_asfaltos, mas houve também uma detecção significativa de não_rua_de_asfalto, vide Fig. 6(a). Quando testado na Fig. 5(b), o resultado foi diferente. Não houve a detecção de uma grande parte de rua_de_asfalto, mas em relação a não_rua_de_asfalto o resultado foi positivo, com a diminuição de falsos positivos, Fig. 6(b). Assim, pode-se observar que esses parâmetros são mais adequados em regiões urbanas do que em regiões rurais. A partir desta análise, foram realizados testes com dois mosaicos a fim de determinar quais parâmetros geram melhor precisão para os dois tipos de regiões, Tab. 1. Em um mosaico, cada quadrante representa um tipo de asfalto, já no segundo mosaico, cada quadrante representa uma imagem não_rua_de_ asfalto (i.e. água, vegetação, telhado, lajes etc). A precisão foi obtida com cálculo de uma média aritmética entres as porcentagens de acerto de cada mosaicos. Tab. 1. Resultado percentual para diferentes valores de parâmetro. (%) Precisão(%) 15 6 [90,222] 1,3 90, [90,222] 1,3 92, [122,221] 1,3 92, [122,221] 1,1 94,47 4. Conclusões Neste trabalho foi apresentada uma proposta de detecção de asfalto através de videografia aérea obtida por VANTs, utilizando técnicas de Processamento de Imagens e Visão Computacional. Foram realizados testes com diferentes imagens e com os resultados pode-se concluir que não existe um único parâmetro que realize a detecção das ruas com uma boa precisão para todas as imagens, pois existem fatores na cena que diferenciam uma imagem da outra. Com a análise dos resultados, concluise que é necessário entender a natureza do problema, para que seja possível inserir no sistema algum critério de ajuste automático dos parâmetros valores de escala de cinza e entropia. Assim, bastaria definir quais faixas de valores sem que ocorresse nenhum falso negativo. Agradecimentos Ao PIBIC/CNPq, pela Bolsa de Iniciação científica; À divisão de Geointeligência do IEAv. Referências PEDRINI, H.; SCHWARTZ, W. R. Análise de Imagens Digitais: princípios, algoritmos e aplicações. São Paulo: Thomson Learning, GONZALES, R. C.; WOODS, R. E.; EDDINS, S. L. Digital Image Processing. Second Edition using MATLAB. USA: Gatesmark Publishing, SOUTO, R. P. Segmentação de imagem multiespectral utilizando-se o atributo matiz.são José dos Campos: INPE, 2000: Disponível em: <www.obt.inpe.br/pgsere/souto-r-p- 2000/publicacao.pdf> Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

69 69 Sensoriamento Remoto, DPI/INPE, São José dos Campos, São Paulo, 2006: Disponíveis em: <http://www.dpi.inpe.br/spring/portugues/tuto rial/introducao_sen.html>. Acesso em: 04/03/2015. RITA, A. Modelo RGB e suas aplicações, Portugal, 2011: Disponível em:<http://asaplicacoesinformaticas.blogspot.c om.br/2011/02/modelo-rgb-e-suasaplicacoes.html>. Acesso em: 04/03/2015. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

70 70 ESTUDO DA DEPOSIÇÃO, A LASER, DE HIDROXIAPATITA EM ALUMÍNIO J. A. Magalhães 1*, G. Vasconcelos 2, J. G. A. B. Simões 2, A. Capella 1, A. O. Lobo 3, W. Miyakawa 2 Projeto: Processamento a laser de materiais. 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. 3 Universidade do Vale do Paraíba Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento, São José dos Campos SP. Resumo Ligas de alumínio 6013 possuem relativa resistência à corrosão, embora sejam susceptíveis à biocorrosão, quando aplicadas em tanques de combustível de aeronaves. A deposição de hidroxiapatita (HAp) apresenta-se como possibilidade efetiva de proteção contra processos corrosivos. Neste trabalho, foram comparadas amostras que passaram por deposição de nano-hap utilizando os lasers de CO 2 e de Nd:YAG. Para o grupo do laser de CO 2, as amostras foram polidas e depois atacadas com solução de Keller, antes de receber a camada de HAp e subsequente irradiação. No outro grupo, as amostras passaram por texturização antes de receber a camada de HAp e irradiação com laser de Nd:YAG. Os resultados mostraram que a deposição apresentou falhas de uniformidade nos dois casos, com diferentes quantidades de cálcio e fósforo incorporados pelo substrato. Alterações no processo ainda são necessárias, embora já seja possível avaliar se as deposições foram suficientes para proteger a liga contra biocorrosão. Palavras-chave: alumínio, laser, hidroxiapatita, biocorrosão; 1. Introdução A corrosão de aeronaves é um assunto importante a ser discutido. Além de pôr em risco a estrutura dos aviões, também reflete em custos diretos e indiretos de manutenção, já que torna necessária a troca de peças e mudanças na rotina da indústria para que isso seja realizado. O alumínio 6013 (AA6013) é amplamente utilizado em aplicações aeronáuticas, sendo uma delas em tanques de combustíveis. Apesar de possuir relativa resistência à corrosão, essa liga ainda é alvo de biocorrosão devido a ciclos alternados de ph ácido e básico provenientes de excrementos metabólitos de microorganismos, que se alimentam de combustível. Uma das maneiras de se contornar esse problema seria a utilização de revestimentos protetores, a fim de se evitar o contato do substrato com o meio corrosivo. Revestimentos cerâmicos de hidroxiapatita (HAp) já são utilizados com o intuito de se proteger substratos metálicos contra a biocorrosão (Khandelwal, 2013; Santhabakrishnan, 2012; Wang, 2012), e têm apresentado ótimos resultados, como o estudo com base em implantes ortopédicos (Sutha, 2013). O recobrimento de ligas metálicas pode ser feito a partir de diversos processos, dentre eles a deposição a laser, que garante alta precisão durante a deposição. Da mesma forma, o laser permite o controle de vários parâmetros, como velocidade de varredura do feixe, potência e taxa de repetição de pulso, de modo a alcançar propriedades superficiais únicas e precisas. Neste projeto, foi realizada a deposição, a laser, de nanohidroxiapatita em ligas de alumínio aeronáutico 6013, utilizando laser de CO 2 e de Nd:YAG, a fim de se trabalhar na otimização da deposição de nano-hap e estudar as propriedades do material depositado por ambos os tipos de laser. Alguns parâmetros de laser foram testados e as superfícies amostrais foram devidamente avaliadas. 2. Metodologia Corpos de prova de alumínio aeronáutico 6013, nas dimensões 15 mm de largura x 1 mm de espessura e comprimentos de 30 mm e 47 mm, foram preparados e separados em dois grupos amostrais, a fim de se estudar as Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

71 71 diferentes características obtidas a partir de cada tipo de laser. No primeiro grupo, as amostras foram polidas com pasta de alumina de 3 m e 1 m, procedimento seguido pelo banho ultrassônico (durante 5 minutos em acetona) e ataque ácido com solução de Keller, por 50 segundos. A nanohidroxiapatita, obtida em parceria com o Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento, da Universidade do Vale do Paraíba (IPD/UNIVAP) (Barbosa, 2013), foi depositada na superfície livre de rugosidades (Grupo I). No segundo grupo de amostras, estas foram texturizadas com lixas #1200 no sentido paralelo ao comprimento, e uma fina camada de nano-hap foi aspergida sobre as superfícies rugosas (Grupo II). A aspersão para as duas condições apresentadas foi feita com base na dispersão de 3 g de nanopartículas de HAp em uma suspensão de 10 ml de uma solução de álcool polivinílico a 0,5%. Os grupos amostrais foram esquematizados separadamente (Fig. 1) e submetidos a diferentes tratamentos a laser (Tab. 1). Fig. 1. (a) Grupo amostral I e (b) grupo amostral II. Tab. 1. Diferenciação dos grupos amostrais de acordo com os tratamentos superficiais. Grupos amostrais Tipo Comprimento de onda emitido I Laser de 10,6 m CO 2 II Laser Nd:YAG 532 nm No tratamento com o laser de CO 2 (Evolution 125, Synrad), foi feita uma préirradiação da amostra com uma potência de 12,5 W, e utilizando uma velocidade de varredura de 800 mm/s para a amostra toda. Em seguida, irradiou-se as cinco subáreas com 37,5 W de potência e velocidades em um intervalo de 1200 mm/s à 400 mm/s, a um passo de 200 mm/s. No tratamento com o laser de Nd:YAG (Corona, Coherent Inc.), cada amostra foi subdividida em dois grupos contendo 20 subáreas, mantendo sempre constante a potência de 23 W e a distância de 27 cm da lente. Nas colunas, variou-se a sobreposição dos feixes do laser em 0%, 83,3%, 91,6%, 95,8% e 97,9%, e nas linhas variou-se o número de varreduras sobre a mesma linha (de 1 a 8). As características morfológicas e químicas de cada subárea irradiada, referentes aos grupos I e II, foram analisadas por microscopia óptica (BX-51, Olympus) e energia dispersiva de raios-x (Inspect S50, FEI Company), acoplada ao microscópio eletrônico de varredura (Inspect S50, FEI Company). 3. Resultados e Discussão Percebe-se, a olho nu, que a subáreas do grupo I são tão uniformes quanto às do grupo II. As imagens por microscopia eletrônica de varredura (MEV) das subáreas do grupo I são apresentadas na Fig. 2. É possível inferir, a partir da Fig. 2, que há pequenas irregularidades superficiais, que aumentam em proporção com a velocidade de varredura. Para essas condições, a segunda subárea, que recebeu uma potência de 37,5 W e velocidade de varredura de 1000 mm/s, foi a que apresentou maior uniformidade de superfície. Entretanto, quando observada com maior magnificação (Fig. 3), observa-se a presença de pequenos clusters com trincas, sugerindo que está ocorrendo uma perda de calor muito rápida nessa região. Possivelmente, uma segunda irradiação, subsequente à primeira, mas com feixe de laser com menor energia, possa refundir essas trincas e deixar a superfície mais homogênea. Já para as amostras do grupo II, devido à grande quantidade de subáreas, foram escolhidos alguns padrões que se repetiam nas superfícies irradiadas. Dessa forma, as imagens por MEV das subáreas amostrais do grupo II são apresentados na Fig. 4. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

72 72 (a) (e) Fig. 2. Imagens por MEV (barra de escala de 500 m) das (a) primeira, (b) segunda, (c) terceira, (d) quarta e (e) quinta subáreas da amostra do grupo I. (b) (c) (d) Fig. 3. Imagem por MEV da segunda subárea do grupo I (barra de escala de 30 m). É possível inferir, através da análise da Fig. 4, que há irregularidades superficiais devido à fusão do substrato. Isto ocorre pelo fato da absorção da energia do laser ocorrer preferencialmente pelo alumínio, uma vez que a hidroxiapatita praticamente não absorve radiação com comprimentos de onda na região do visível. Tab. 2: Quantificação da razão Ca/P obtida por EDS. Laser Subáreas CO 2 I II III IV V Ca/P 0,8 0,5 2,1 3,6 3,5 Nd:YAG I II III Ca/P - 0,6 - Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

73 73 (a) (b) (c) Fig. 4. Imagens por MEV (barra de escala de 40 m) das subáreas com uma varredura por linha e sobreposição de feixe de (a) 0%, (b) 83,3% e (c) 91,6%. A fim de se verificar se os tratamentos utilizados promoveram a incorporação de Cálcio (Ca) e Fósforo (P) nas áreas irradiadas, foi realizada a espectroscopia por energia dispersiva de raios-x - EDS, e os resultados estão dispostos na Tab. 2. Com base na Tab. 2, percebemos que há diferentes valores de razão Ca/P que podem ser obtidos quando utilizado o laser de CO 2, variando de 0,8 a 3,5, e apenas a razão 0,6 para o tratamento com laser Nd:YAG, dentre as subáreas analisadas. Comparando-se com a literatura (Fowler, 1986), pode-se inferir que as subáreas I e II, referentes ao laser de CO 2, promoveram incorporação de Ca e P, porém em proporções estequiométricas próximas às fases de fosfato monocálcico mono-hidratado e metafosfato de cálcio (ambos com razão de 0,5) e fosfato heptacálcico (com razão de 0,7) (Guastaldi, 2010); já as condições utilizadas na subárea III promoveram a incorporação de Ca e P e houve transformação de fase de hidroxiapatita para fosfato de tetracálcio. As subáreas IV e V apresentaram razões bastante diferentes daquelas encontradas na literatura, o que sugere a presença de várias fases de fosfato de cálcio na área analisada (16 m 2 ). Já com relação ao segundo grupo amostral (laser Nd:YAG), considerando a condição de uma única varredura por linha, apenas a subárea correspondente à sobreposição de feixe de 83,3% promoveu incorporação de Ca e P, ainda que fora das proporções estequiométricas. 4. Conclusões A fim de se promover um recobrimento de hidroxiapatita que proteja a liga AA6013 da biocorrosão, foram testadas combinações de parâmetros de dois tipos de laser: o de CO 2 e o de Nd:YAG. Os resultados obtidos mostraram que para o primeiro grupo de subáreas, na qual foi feita a irradiação com laser de CO 2, houve incorporação de Ca e P, dentro de um intervalo de 0,8 a 3,5. Já com relação ao laser Nd:YAG, apenas uma das condições, dentre as analisadas, promoveu incorporação desses elementos. Embora a segunda subárea do grupo I tenha apresentado falhas de uniformidade de superfície recoberta com nano-hap, já é possível avaliar se a deposição obtida protege o alumínio contra a biocorrosão. De fato, esta será uma das próximas etapas deste projeto. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

74 74 Agradecimentos Ao PIBIC-PIBIT/IEAv-CNPq, pela bolsa de iniciação científica concedida (processo /2014-0), e à FAPESP, processo 2014/ Referências BARBOSA, M. C.; MESSMER, N. R.; BRAZIL, T. R.; MARCIANO, F. R.; LOBO, A. O. The effect of ultrasonic irradiation on the crystallinity of nanohydroxyapatite produced via the wet chemical method, Materials Science and Engineering. C, , FOWLER, B. O.; KURODA, S., Changes in heated and in laser-irradiated human tooth enamel and their probable effects on solubility. Calc. Tissue Int., v. 38, p , GUASTALDI, A. C; APARECIDA, A. H. Fosfatos de cálcio de interesse biológico: importância como biomateriais, propriedades e métodos de obtenção de recobrimentos. Química Nova, 33, , KHANDELWAL, H.; SINGH, G.; AGRAWAL, K.; PRAKASH, S.; AGARWAL, R. D. Characterization of hydroxyapatite coating by pulse laser deposition technique on stainless steel 316 L by varying laser energy. Applied Surface Science, 265, 30 35, SANTHABAKRISHNAN, S.; HO, Y. H.; DAHOTRE, N. B. Laser coating of hydroxyapatite on Mg for enhanced physiological corrosion resistance and biodegradability. Materials Technology, 27, , SUTHA, S.; KAVITHA, K.; KARUNAKARAN, G.; RAJENDRAN, V. In-vitro bioactivity, biocorrosion and antibacterial activity of silicon integrated hydroxyapatite/chitosan composite coating on 316 L stainless steel implants. Materials Science and Engineering C, 33, , WANG, B.; GAO, J.; WANG, L.;ZHU, S.; GUAN, S. Biocorrosion of coated Mg Zn Ca alloy under constant compressive stress close to that of human tibia. Materials Letters, 70, , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

75 75 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE PARTÍCULA DE ZIRCÔNIA NO PROCESSO DE DEPOSIÇÃO A LASER J. C. G. Santos 2, V. Teleginski 1,2, D. C. Chagas 1,2, J. F. Azevedo 2, A.C.C. Oliveira 1, G. Vasconcelos 1,2* Projeto: Estudo da influência do tamanho de partícula de ZrO 2 no processo de deposição a laser. 1 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho de iniciação científica teve como objetivo avaliar o uso de materiais particulados de zircônia-ítria com diferentes tamanhos de partícula. Neste contexto avaliou-se a influência do processo de moagem na granulometria do pó. Após essa etapa de processamento os pós foram caracterizados quanto a composição de fases, morfologia e tamanho das partículas, utilizando difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e analisador de partículas. Sequencialmente, estes pós foram depositados por métodos a laser sobre substratos metálicos. Os revestimentos produzidos foram analisados por microscopia eletrônica de varredura. A moagem do pó de zircônia reduziu em 10 vezes o tamanho de partícula, sem modificar a composição de fases do pó. Palavras-chave: Zircônia, Revestimento, Laser, Moagem. 1. Introdução Por operarem em ambientes agressivos e em elevadas temperaturas e pressões, as palhetas de turbinas de aeronaves e de termoelétricas possuem revestimentos cerâmicos e metálicos para melhorar suas propriedades funcionais (Almeida, 2006). Estes revestimentos são chamados TBCs (thermal barrier coatings). As cerâmicas são largamente empregadas como TBC devido a sua excelente resistência ao desgaste e à oxidação em altas temperaturas (Cao, 2004). A zircônia estabilizada com ítria, ou YSZ (yttria-stabilized zirconia) é uma das cerâmicas mais utilizadas devido a sua baixa condutividade térmica e coeficiente de expansão térmico próximo ao das superligas de níquel, as quais são utilizadas na fabricação das palhetas (Ahmadi-Pidani, 2013). Para deposição dos revestimentos TBC as técnicas de plasma spray e deposição física por feixe de elétrons (EB-PVD) são as mais utilizadas (Lee, 2006). Entretanto, os revestimentos obtidos possuem elevado grau de porosidade, baixo grau de aderência ao substrato, além da deposição ocorrer em taxas reduzidas, especialmente no caso do EB-PVD. Neste sentido, deposições a laser podem ser empregadas na possibilidade de melhorar essas características. A capacidade do laser em efetuar aquecimentos locais com versatilidade de utilização e a variedade de tratamentos térmicos que são possíveis tornaram-no uma ferramenta importante para o tratamento da superfície dos materiais. A literatura reporta a utilização de lasers como uma ferramenta para tratar revestimentos obtidos pelas técnicas convencionais, realizando a vitrificação a laser para selar a superfície da cerâmica (Morks, 2010; Zhu, 2012). São reportadas melhorias nas características superficiais, como o aumento da resistência a permeabilidade de sais e outros elementos oxidantes. A combinação de uma camada superficial homogênea com uma camada interna porosa contendo microtrincas, também se mostrou interessante para a absorção de tensões térmicas durante os ciclos de aquecimento e resfriamento do material. Para que o laser seja utilizado como ferramenta de deposição direta do revestimento cerâmicos é necessário que o material esteja em forma de pó. Dependendo das características dos pós, diferentes resultados podem ser obtidos na deposição a laser. Entender o comportamento da deposição do pó de zircônia em diferentes condições de moagem é crucial para o desenvolvimento de estruturas adequadas ao uso como TBC. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

76 76 2. Metodologia 2.1. Materiais empregados O pó de zircônia estabilizada com ítria (ZrO 2 + 8% Y 2 O 3 ) foi fornecido pela empresa Praxair, E.U.A. Sua composição química é indicada na Tab. 1, a qual foi obtida por fluorescência de raios X AMR/DCTA. Tab. 1. Composição química do pó de zircônia (% peso). ZrO 2 Y 2 O HfO Si Al 2 TiO O O 91,0 6,8 1,6 0,3 0,1 0,05 Foi utilizado como material de substrato chapas laminadas e recozidas da liga AISI 316L. Sobre o substrato foi depositado via laser uma camada de revestimento de ligação NiCrAlY, conforme metodologia publicada em trabalhos anteriores (Santos, 2014). A morfologia dos pós foi analisada utilizando a técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV), Leo Model 435 VPi AMR/DCTA Metodologia de moagem O processo de moagem foi realizado em um moinho planetário Retsch, modelo PM 100CM IEAv, mostrado na Fig. 1. Foi utilizado um jarro de nylon com esferas de zircônia estabilizada com ítria (de diâmetro 1 mm (± 0,1 mm). A quantidade de esferas foi determinada por pesagem, totalizando 100 gramas. A moagem foi realizada via úmida, em 80 ml de álcool etílico. A quantidade de zircônia foi mantida fixa em 240 gramas. O tempo de moagem foi de 45 minutos e rotação de 500 rpm. Após a moagem o jarro foi retirado do moinho e as esferas de zircônia foram separadas com o auxílio de uma peneira. Foram avaliadas as distribuições de tamanhos de partícula utilizando equipamento CILAS 1190 UNIFESP/ Departamento de Cerâmica. A composição de fases foi determinada através de difração de raios X, PANalytical - X'Pert Quantify AMR/DCTA. Fig. 1. Fotografia do moinho planetário Retsch, modelo PM 100CM, utilizado para realizar a moagem do pó de zircônia Pré-deposição dos pós de zircônia Os pós de zircônia com tamanhos de partícula na forma como recebido e moído foram pré-depositados nos substratos. O pó como recebido foi pré-depositado utilizando uma técnica de sedimentação, conforme Fig. 2. Fig. 2. Esquemático do processo de prédeposição por sedimentação do pó de zircônia no estado como recebido. O pó moído foi pulverizado no substrato utilizando uma pistola pneumática, pois sua granulometria não causou entupimento da pistola, como ocorreu no caso do pó como recebido. O processo de pulverização é mais simples e o controle da camada depositada maior. O esquemático do processo de pré- Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

77 77 deposição com pistola pneumática é mostrado na Fig. 3. Fig. 3. Esquemático do processo de prédeposição por pistola pneumática do pó de zircônia moído por 45 minutos. Ambos os processos geraram camadas pré-depositadas com espessura de 300 μm (± 50). Conforme Fig. 4, para medir a espessura da camada de pó foi realizado o riscamento da superfície com uma ponta de 60, sendo que a amostra estava posicionada em cima de um plástico mylar, que atuou como uma mola, empurrando a amostra em direção a ponta. Uma mesa CNC foi usada para mover a amostra em relação a ponta fixa. Na camada de pó foi gerada uma cavidade triangular. A partir da medição da largura da base do triângulo e com o cálculo de trigonometria foi estimada a espessura da camada de pó Irradiação a laser Após evaporação do álcool, as amostras foram irradiadas por um feixe de laser de CO 2 (Synrad Evolution 125) IEAv, que possui comprimento de onda de 10,6 µm, distribuição Gaussiana de energia e diâmetro do feixe no ponto focal de 0,180 mm. Os parâmetros do laser utilizados para a irradiação foram definidos por (Teleginski, 2014) como sendo: potência de 125 W, feixe focalizado, velocidade de varredura de 500 mm/s e sobreposição do feixe de 30%. A superfície das amostras irradiadas foram analisadas utilizando a técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV), Hitachi TM3000 IEAv. Fig. 4. Desenho esquemático mostrando como foi realizada a medição da espessura da camada de pó pré-depositado. Para análise da secção transversal, a amostra foi preparada por técnicas de metalografia: embutimento em resina de baquelite, lixamento, polimento em alumina e ataque químico com reagente Carpenter (8,5 g FeCl 3 +2,5 g CuCl ml álcool+122 ml HCl+6 ml HNO 3 ), para revelar a microestrutura do substrato. 3. Resultado e Discussão 3.1 Moagem dos pós de zircônia A Fig. 5 mostra o gráfico de distribuição do tamanho de partícula ou análise granulométrica dos pós. Estão indicadas as curvas de distribuição de tamanhos de partícula para o pó como recebido e para o pó moído com esferas de zircônia por 45 minutos. No gráfico o eixo das abcissas é referente ao tamanho da partícula e o eixo das ordenadas a densidade de distribuição. O tamanho médio do pó como recebido é da processo de moagem promoveu a redução do tamanho de partícula em 10 vezes. Na Fig. 6 são mostradas as morfologias dos pós, observadas utilizando MEV. Observa-se que o pó como recebido apresenta menor grau de aglomeração de cristais quando comparado ao pó que foi moído por 45 minutos. Essa maior aglomeração para o caso de partículas Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

78 78 Fig. 5. Gráfico da distribuição tamanho de partículas do pó de zircônia como recebido e após moagem de 45 minutos. menores de zircônia estabilizada com ítria também foi reportada por Hanifi (2012). Fig. 6. Morfologia dos pós de zircônia (a) como recebido e (b) após moagem. Para verificar se o processo de moagem em moinho planetário causou alguma alteração significativa na composição de fases da zircônia, foi realizada a análise de difração de raios X, conforme mostram os difratograma apresentados na Fig. 7. Fig. 7. Difratogramas do pó de zircônia como recebido e após moagem por 45 minutos. Como pode ser observado, há grande semelhança entre os difratogramas, não sendo detectado nenhum pico referente a alterações de fases. As indicações nos picos mostrados na Fig. 7 são referentes as fases da zircônia estabilizada com ítria, onde m é a fase monoclínica, c a fase cúbica e t a fase tetragonal. 3.2 Qualidade da superfície irradiada Os pós de zircônia como recebido e moído foram pré-depositados no substrato e depois irradiados pelo feixe de laser de CO 2. A análise da deposição a laser que utilizou o pó de zircônia com granulometria como recebido do fornecedor é mostrado na Fig. 8a. O revestimento foi considerado insatisfatório por apresentar diversas falhas de deposição na região tratada, como é indicado pelos círculos na Fig. 8a. A Fig. 8b mostra a superfície do revestimento obtido empregando-se o pó moído. O resultado foi satisfatório em termos de obtenção de uma superfície com quantidade de falhas de deposição reduzida. Entretanto, observa-se que houve a formação de trincas em toda a superfície obtida. Essas trincas são o resultado de um rápido resfriamento da camada cerâmica ao término da ação do feixe do laser. Zhu (2012) relatou o favorecimento da absorção de tensões térmicas durante os ciclos de aquecimento e resfriamento do material devido a existência de micro trincas verticais. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

79 79 com a camada final obtida é devido a densificação do material. Fig. 8. Superfície do revestimento de zircônia depositado por laser utilizando (a) o pó como recebido e (b) o pó moído durante 45 minutos. Para verificar se houve formação de trincas paralelas ao revestimento, a amostra que utilizou o pó moído foi analisada em sua secção transversal, como mostra a Fig. 9. Na Fig. 9a a amostra desembutida foi posicionada de forma inclinada, gerando uma imagem tridimensional. É possível observar o substrato metálico, o revestimento de NiCrAlY e a camada de zircônia no topo. A direção da trilha do laser está indicada. Observa-se que a trinca da superfície propaga-se até atingir o revestimento NiCrAlY. Na Fig. 9b é mostrada a mesma amostra, entretanto em sua secção transversal plana, com a amostra ainda embutida em resina e com ampliação maior. Não são observadas trincas horizontais e o revestimento possui espessura média de 10 μm. A diferença de espessura da camada de pó pré-depositada Fig. 9. (a) Imagem inclinada da amostra mostrando a secção transversal e sua superfície. (b) Imagem da secção transversal com a amostra embutida. 4. Conclusões A moagem do pó de zircônia reduziu em 10 vezes o tamanho de partícula, sem modificar a composição de fases do pó. A qualidade dos revestimentos obtidos com pós mais finos mostrou redução de falhas de deposição observadas para o revestimento feito com o pó de maior tamanho de partícula. O processo de irradiação a laser mostrou-se eficiente para produzir revestimentos de zircônia densos, sem trincas horizontais. Entretanto trincas verticais foram formadas devido a elevada velocidade de resfriamento do processo a laser. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq PIBIC, à FAPESP (Processo nº 2013/ ) e ao AMR/DCTA. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

80 80 Referências ALMEIDA, D. S. et al. EB PVD TBCs of zirconia co-doped with yttria and niobia, a microstructural investigation. Surface and Coatings Technology, v. 200, n 8, p , AHMADI-PIDANI, R. et al. Laser surface modification of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings. Ceramics International, v. 39, p , CAO, X. Q.; VASSEN, R.; STOEVER, D. Ceramic materials for thermal barrier coatings. Journal of the European Ceramic Society, v. 24, p. 1-10, HANIFI, A. R. et al. Effects of calcination and milling on surface properties, rheological behaviour and microstructure of 8 mol% yttria-stabilised zirconia (8 YSZ). Powder Technology, v. 231, p , LEE, K. N. Protective coatings for gas turbines. In: Gas Turbine Handbook, U.S. Department of Energy, MORKS, M. F. et al. Microscopic observation of laser glazed yttria-stabilized zirconia coatings. Applied Surface Science, v. 256, p , SANTOS, J. C. G. et al. Estruturação e deposição de MCrAlY sobre aço inoxidável por métodos a laser. Caderno SCTI 2014, p , TELEGINSKI V. et al. Laser irradiation of YSZ on NiCrAlY/ Inconel 718 substrates for TBC applications. Artigo submetido: Surface and Coatings Technology, ZHU, C. et al. An investigation on the microstructure and oxidation behaviour on laser remelted air plama spayed thermal barrier coatings. Surface and Coatings Technology, v. 206, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

81 81 ESTUDO E ADEQUAÇÃO DE MODELOS MATEMÁTICOS DE ROTEAMENTO E SUAS EXTENSÕES PARA TRATAR CENÁRIOS DE VIGILÂNCIA DO ESPAÇO AÉREO E DE GERENCIAMENTO DE CRISE J. G. Ulian 1 *, M. J. Pinto 2 Projeto: Projeto Temático n o 2010/ Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo O problema de roteamento consiste em gerar rotas otimizadas de forma a atender um conjunto de restrições. O problema tem sido amplamente estudado na literatura, podendo ser encontrado em diversas aplicações práticas. Neste trabalho, foram utilizados modelos de roteamento da literatura, onde adaptações estão sendo propostas buscando apoiar o processo de decisão nos cenários de vigilância aérea e gerenciamento de crise. As adaptações foram necessárias para considerar características específicas dos cenários analisados. Para testar a validade do modelo, utilizou-se a linguagem de modelagem AMPL. Palavras-chave: Problemas de Roteamento, Gerenciamento de crise, Vigilância do espaço aéreo. 1. Introdução Segundo (Hillier e Lieberman, 2006), desde o advento da industrialização, surgiram problemas envolvendo a condução e a coordenação de atividades em uma organização, mostrando a necessidade de encontrar a melhor decisão para solucionálos, gerando condições necessárias para o surgimento da Pesquisa Operacional (PO). A gama de aplicações e ferramentas oferecidas pela PO é excepcionalmente grande, onde a interpretação do problema é representada através de um modelo matemático, ou seja, uma forma simplificada e suficientemente similar para que os resultados obtidos sejam estendidos à realidade (Goldbarg e Luna, 2000). Dentre os diversos problemas tratados pela Pesquisa Operacional estão os problemas de roteamento, foco deste trabalho, que visam otimizar rotas atendendo um objetivo (como, por exemplo, minimizar os custos da rota) e respeitando as restrições apresentadas. Os modelos matemáticos, geralmente, incluem uma quantidade grande de variáveis e restrições. Neste trabalho, utilizou-se metodologias e modelos relacionados aos problemas de roteamento visando apoiar o processo de decisão no contexto de vigilância aérea e gerenciamento de crise. Foram propostas modificações nos modelos existentes na literatura para incorporar as características específicas destes contextos, gerando um novo modelo, onde a verificação de sua validade foi feita utilizando o AMPL (AMPL, 2015) que consiste de uma linguagem de modelagem que utiliza ferramentas computacionais (solvers), como o CPLEX (IBM, 2015), para resolução de modelos matemáticos. 2. Metodologia A princípio, foi realizada uma revisão da literatura, com intuito de familiarização com as modelagens já existentes para problemas clássicos, buscando por uma modelagem que poderia ser utilizada como base para o nosso trabalho, tais como: Problema do Caminho Mínimo (PCM), Problema de Fluxo Máximo, Problema do Caixeiro Viajante (PCV), Problema do Carteiro Chinês (PCC) (Hillier e Lieberman, 2006; Goldbarg e Luna, 2000). Tendo como ponto inicial os problemas clássicos, realizou-se uma pesquisa das possíveis restrições e funções objetivo que poderiam ser consideradas para o modelo generalizado, de acordo com os cenários específicos a serem estudados. Nestes cenários, considere que um veículo precisa sair de um ponto inicial e realizar a entrega de determinados itens para atender a demanda de n áreas de uma região. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

82 82 Num cenário de gerenciamento de crise, o ponto inicial poderia ser a base onde o veículo que fará a missão se encontra, os n pontos poderiam ser áreas onde ocorreu algum desastre e os itens seriam alimentos, medicamentos, entre outros. Num cenário de vigilância do espaço aéreo, o ponto inicial poderia ser também a base onde o veículo está, os n pontos poderiam ser áreas sensíveis que precisam ser protegidas e os itens os meios de defesa como mísseis e armas que seriam alocados para garantir a proteção daquelas áreas. Num primeiro modelo M1, como existe uma demanda em cada área a ser atendida, precisamos considerar o atendimento desta demanda de forma a não exceder a capacidade do veículo. Este modelo está descrito a seguir como um problema de grafo, onde os nós representam as áreas a serem visitadas e os arcos as ligações (que podem ser representadas através das distâncias) entre as áreas. s.a.: onde: n n i1 j1 n j1 (M1)= Minimizar c x (1) ij ij n j1 n n i1 j1 1, se i o n n x xk 0, se i o ou i d (2) ij i k 1 i1 1, se i d n n i1 q i y i Q xij x ji yi i 1,, n x ij j1 1 x ij (3) (4) i 1,, n ( i d) (5) 0,1, i, j 1, n 0,1, i 1, n (6) y i, (7) ncorresponde ao total de áreas; ocorresponde ao ponto inicial da rota; dcorresponde ao ponto final da rota; cij corresponde ao custo da aresta (i,j). Qcorresponde a capacidade do veículo; qi corresponde a demanda da área i; xij variável de decisão: indica se o arco (i, j) está na rota ( x 1) ou não ( 0 ). yi indica se a rota passa pela área i. A função objetivo (1) busca minimizar o custo da rota. As restrições (2) garantem o fluxo da rota a ser gerada, ou seja, o caminho deve sair do nó origem e chegar no nó destino, passando pelos nós intermediários. As restrições (3) garantem que a capacidade do veículo será respeitada. As restrições (4) definem as variáveis y, ou seja, se a rota passar pelo arco (i, j) ou (j, i), significará que a rota passou pela área i. As restrições (5) garantem que todas as áreas serão visitadas. As restrições (6) e (7) indicam que as variáveis de decisão são binárias. No segundo modelo (M2), incluímos as restrições referentes a eventuais janelas de tempo que precisam ser atendidas. ij x ij f w t f, j 1, n m n xijk i i ij j, k1 i1, i j onde: e i i i (8) f l (9) f i tempo de chegada na área i; wi tempo de serviço na área i; tij tempo necessário para atravessar o arco (i, j); e i, l i janela de tempo da área i. As restrições (8) e (9) exigem que o veículo respeite a janela de tempo da área, ou seja, ele poderá chegar na área i durante o intervalo e i, l i. No terceiro modelo (M3), incluímos a autonomia do veículo, que precisa ser respeitada. A autonomia é atendida através da restrição (10). N N i1 j1 a ij x ij A (10) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

83 83 onde: A autonomia total do veículo; aij autonomia necessária para atravessar o arco (i, j). Definidos os modelos,o próximo passo consistiu em realizar alguns testes computacionais para validar o modelo utilizando ferramentas computacionais disponíveis na literatura. Foi realizado um estudo de alguns dos solvers existentes (tais como CPLEX, Gurobi e GLPK) e das ferramentas para implementação dos modelos utilizando estes solvers como linguagem C++ ou através da linguagem de modelagem AMPL. Por apresentar uma linguagem bem próxima da matemática, a ferramenta AMPL foi escolhida, a qual consiste de uma linguagem de modelagem que contém várias bibliotecas de resolução, entre elas o CPLEX, solver que apresenta um dos melhores desempenhos do mercado. 3. Resultados e Discussão Para ilustrar os modelos apresentados, considere o exemplo da Fig. 1, que possui 6 áreas a serem atendidas (n = 6) e o custo (distância) entre cada área como sendo os valores apresentados nas arestas do grafo da figura. Os valores apresentados entre colchetes correspondem a demanda de cada área. Se o objetivo for definir o caminho saindo do ponto 1 e chegando no ponto 6 e considerando a capacidade do veículo de 40, a solução para o modelo M1 será o caminho ilustrado na Fig. 2, com custo 9. Se considerarmos agora o modelo M2 e que os demais dados são os apresentados na Tab. 1, a solução seria agora o caminho ilustrado na Fig.3, com custo 12, onde consideramos que t c. ij ij Fig. 1. Exemplo ilustrativo. Fig.2. Solução modelo M1. Fig.3. Solução modelo M2. Tab. 1. Demais dados para o modelo M2. Área e L w Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

84 84 Considerando uma autonomia de 10 vezes a distância entre as áreas e uma autonomia total do veículo de 120, o resultado obtido foi o mesmo apresentado na Fig. 3. Para uma autonomia menor do que 120, não seria possível encontrar uma solução viável passando por todas as áreas. Para obter uma solução, a restrição (5) teria que ser relaxada permitindo que uma ou mais áreas deixassem de ser visitadas. Em seguida, rodamos o modelo M2 e M3 para valores maiores de n para verificar a influência do tempo computacional no resultado final obtido. Os dados utilizados estão apresentados na Tab. 2 onde Q representa a capacidade do veículo. Tab. 2. Dados instâncias para n > 6. Instância n Q Os resultados estão apresentados na Tab. 3, onde: S representa o valor da função objetivo (custo) e T representa o tempo computacional (em segundos) necessário para encontrar a solução.como esperado, o tempo computacional tende a aumentar a medida que o valor de n aumenta. Testes computacionais com valores maiores de n serão realizados futuramente. Tab. 3. Resultados instâncias para n>6. Instância S T 1 132,45 0, ,65 0, ,54 0, ,68 26, ,32 155, ,94 264,87 4. Conclusões Neste trabalho, foi apresentado um modelo matemático que considera o objetivo de minimização dos custos e as restrições relacionadas até o momento à capacidade/autonomia do veículo e ao atendimento de prováveis janelas de tempo. Cada área possui uma demanda e uma janela de tempo que precisam ser atendidas, ou seja, o veículo considerado deve visitar as áreas no tempo estipulado. Foi considerado apenas um veículo e a rota gerada dependerá da especificação do cenário. Neste trabalho, buscamos representar um cenário dentro do contexto de vigilância aérea e de gerenciamento de crise, sendo que a adequação para outros cenários pode ser feita sem grandes alterações no modelo generalizado obtido. A implementação computacional foi feita utilizando a linguagem de programação AMPL, onde um estudo sobre sua sintaxe foi necessário utilizando os manuais disponibilizados pelos desenvolvedores (AMPL, 2015). Para testar o modelo, foram utilizadas instâncias geradas de forma aleatória. Os testes computacionais realizados foram preliminares e realizados somente para validar o modelo. Outros testes serão feitos considerando um número maior de nós (áreas) para verificar o impacto no tempo de resolução. Pretendemos utilizar também instâncias da literatura que possuem uma solução conhecida como as descritas em (Diaz, 2015). Apesar dessas instâncias não considerarem a autonomia do veículo, elas poderiam ser utilizadas para verificar a validade da implementação computacional e, em seguida, as restrições de autonomia seriam incorporadas aos dados de entrada. Nos resultados obtidos não foram identificados sub-ciclos, entretanto, sabemos que, da forma como o modelo foi considerado até o momento, estes sub-ciclos podem aparecer e precisariam ser evitados. Com isto, restrições para evitar a formação de ciclos de forma a não comprometer a continuidade das rotas foram estudadas e serão incluídas no modelo futuramente. É importante ressaltar que o entendimento dos modelos matemáticos clássicos da literatura foi fundamental para iniciar o contato com a modelagem de problemas, em especial, com modelos que serviram de base para generalizar o problema. Entretanto, acreditamos que Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

85 85 restrições mais específicas dos cenários em questão devem ainda ser consideradas para que o modelo possa ser aplicado em uma situação real. Por exemplo, existem situações onde existe prioridade na entrega dos itens ou os veículos que farão a entrega de itens precisam também fazer coleta em cada área (no contexto de gerenciamento de crise, poderia ser o recolhimento de vítimas das áreas afetadas até os centros de atendimento), entre outros. Além disso, pretende-se considerar que existe mais de um veículo para atender as demandas. Algumas destas restrições serão incorporadas futuramente ao modelo. Agradecimentos Ao PIBIC pela bolsa do aluno João Gabriel Ulian e ao projeto temático no 2010/ que permitiu a aquisição do AMPL. Referências AMPL. Streamlined Modeling for Real Optmization. Disponível em: <http://ampl.com/>. Acesso em: maio/2015. DIAZ, B. D. The VRP Web. Disponível em: <www.bernabe.dorronsoro.es/vrp/>. Acesso em: maio/2015. GOLDBARG, M. C.; LUNA, H. P. L. Otimização combinatória e programação linear: Modelos e algoritmos. 4ª ed. Rio de Janeiro: Campus, HILLIER, F. S.; LIERBERMAN, G. J. Introdução à Pesquisa Operacional. 8ª ed. São Paulo: McGraw- Hill, IBM. CPLEX Optimizer - High-performance mathematical programming solver for linear programming, mixed integer programming and quadratic programming. Disponível em: <http://www.01.ibm.com/software/integration/optimi zation/cplex/>. Acesso em: maio/2015. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

86 86 ESTUDO EXPERIMENTAL DE SENSOR ÓPTICO PARA INSPEÇÃO NÃO- DESTRUTIVA DE SOLDAS A LASER R. B. Marques 1,2, R. Riva 1, J. M. S. Sakamoto 1, * Projeto: Sensor óptico para inspeção não-destrutiva de soldas a laser. 1 Divisão de fotônica, Instituto de Estudos Avançados (IEAv), São José dos Campos, SP, Brasil. 2 Universidade Federal de São Paulo (Unifesp), São José dos Campos, SP, Brasil. Resumo Este trabalho consiste no desenvolvimento de um sensor de deflexão de feixe óptico, capaz de realizar inspeção sem contato e não destrutiva em soldagem a laser e independentemente da rugosidade da superfície analisada. O princípio de funcionamento do sensor é baseado na medição da variação do índice de refração (do meio) induzida pela variação de temperatura ou de pressão. As condições ou as características da soldagem a laser geram a variação do índice que, por sua vez, deflete o feixe óptico, modulando a intensidade óptica que atinge o fotodetector. Foram realizados experimentos preliminares utilizando um laser pulsado de baixa potência para estudar o comportamento do sensor. Após os primeiros resultados mostrarem que o sensor é capaz de captar sinais gerados pela solda, novos ensaios foram realizados utilizando um laser contínuo, onde o estudo da relação entre os sinais gerados e as imperfeições geradas pela solda está em desenvolvimento. Palavras-chave: Sensor óptico, Inspeção não destrutiva, Solda a laser. 1. Introdução O surgimento de novos materiais, associado ao projeto e desenvolvimento de equipamentos e estruturas soldadas têm motivado constantes transformações visando o aperfeiçoamento e o desenvolvimento dos processos de soldagem. Diante disso, para aumentar a confiabilidade e a integridade de equipamentos soldados, surgiram os Ensaios Não Destrutivos (END) como alternativa na inspeção industrial (Weiner, 2005). O ultrasom e a radiografia são os END mais relevantes e são utilizados para a detecção, dimensionamento e avaliação de defeitos em juntas soldadas. Um sensor de deflexão de feixe óptico está sendo desenvolvido para se obter uma inspeção sem contato e não destrutiva em soldagem a laser, independentemente da rugosidade da superfície da amostra inspecionada (Caron, 1998). A inspeção pode ser realizada durante o processo de soldagem, ou seja, em tempo real, com o objetivo de detectar defeitos em linha de produção. O sensor representado na Fig.1, compreende um laser, dois espelhos (M1 e M2), um divisor de feixe polarizador (PBS), uma lâmina de quarto de onda (λ / 4), uma lente (L), uma lâmina metálica para obstrução do feixe (KE), um filtro ótico (F), e um fotodetector (PD). O feixe óptico do laser é desviado e alinhado por M1 em direção ao PBS, que por sua vez, separa as polarizações do laser. Apenas a polarização horizontal do PBS é dirigida para a lâmina de quarto de onda, de maneira a fornecer uma polarização circular à direita. Este feixe atravessa, assim, a região onde a soldagem a laser é executada e é refletida de volta por M2 (com polarização circular à esquerda). Este feixe é dirigido de volta para a lâmina de quarto de onda que converte a polarização para vertical. O PBS desvia o feixe óptico (para não voltar para o laser) na direção de uma lente positiva, seguido da KE, o F (para filtrar a luz gerada pela solda a laser), e o PD. O sinal de saída do PD é então adquirido e registrado por uma placa de aquisição de sinal para posterior processamento de sinais. O princípio de funcionamento do sensor é baseado na medição da variação do índice de refração (do meio) induzida pela variação temperatura ou variação de pressão (Rodrigues, 1990 e Barnes, 2014). No caso Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

87 87 do sensor proposto, as condições ou as características da soldagem a laser geram a variação do índice que, por sua vez, deflete o feixe óptico, modulando a intensidade óptica que atinge o PD. 2. Metodologia Foi realizada uma série de experimentos para obter informações sobre o comportamento do sensor desenvolvido, além de testes preliminares do sensor em solda. Inicialmente montou-se o sensor de acordo com o esboço representado na Fig.1. Fig. 1. Esboço da montagem do sensor Após a montagem do sensor, desenvolveu-se seu modelo matemático. Realizou-se então um experimento para determinação da curva característica do sensor e comparação com o modelo. Em seguida, foram realizados experimentos de detecção de sinais de solda utilizando-se um laser pulsado e um laser contínuo. Experimentos auxiliares foram também realizados para determinação do diâmetro do feixe, utilizando-se o método da faca (Jorge, 2011) e variação da posição vertical e horizontal do sensor utilizando diferentes amostras. 2.1 Modelo Matemático Um modelo matemático foi desenvolvido para simular teoricamente a curva característica do sensor, aplicando o método da matriz ABCD para cada componente óptico acoplado ao sensor. Desse modo, sabendo os parâmetros de entrada, como as distâncias entre os componentes e o ângulo de incidência do laser do sensor no componente, o modelo retorna a curva característica do sensor e podemos através do estudo de sua derivada, calcular sua sensibilidade. A metodologia utilizada para a formulação do modelo matemático baseia-se em utilização da matriz ABCD para a determinação da posição do feixe óptico em relação ao eixo óptico do sistema. A variável de entrada, no caso o ângulo do feixe, modula a posição do feixe, de maneira que o spot óptico desloca-se sobre o fotodetector. Dessa forma, calcula-se a integral da intensidade óptica acoplada ao fotodetector. 2.2 Ensaio para estudo do comportamento do sensor com laser pulsado Realizou-se um experimento com o objetivo de estudar o comportamento do sensor, variando a altura do feixe do sensor em relação ao feixe do laser de soldagem. O experimento foi realizado utilizandose como laser de soldagem um laser pulsado de aproximadamente 20 W e a amostra utilizada foi um bloco de aço, o feixe do sensor óptico foi alinhado perpendicularmente ao feixe do laser de soldagem. Os sinais relativos à aplicação do laser na amostra foram detectados pelo sensor e armazenados em um osciloscópio, sendo que um fotodetector foi utilizado para captar o sinal inicial do laser (sinal de trigger). Durante a aplicação do laser, variou-se a altura do sensor com relação à amostra em passos de 0,635 mm partindo-se de uma altura de aproximadamente 0 mm, até a altura final de 25,4 mm, totalizando 41 medições. Para cada variação na altura armazenaram-se os dados obtidos pelo sensor. 2.3 Teste do sensor para sinais gerados por laser continuo Outro experimento foi realizado utilizando-se um laser continuo, para estudar os sinais gerados pela incidência do laser em amostras de alumínio. O laser foi incidido nas amostras variando-se seu foco por uma distância de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

88 88 70 mm, a potência do laser foi ajustada para 800 W. 2.4 Curva característica O experimento para obtenção da curva característica do sensor foi montado de acordo com o setup representado pela Fig.2: Fig. 3. Esquemático para obtenção da matriz ABCD do sensor. Neste caso, desconsiderou-se o desvio de 45º que o PBS impõe ao feixe, sem perda de consistência na análise. Dessa forma, obtémse a seguinte igualdade: Fig. 2. Setup do experimento para obtenção da curva característica. Sendo as distâncias d 1 = 28 mm, d 2 = 200 mm, d 3 = 260 mm, d 4 = 29,4 mm, d 5 = 9,1 mm e d 6 = 8,9 mm. O laser do sensor foi acoplado a um estágio de rotação. O experimento iniciou-se ativando o estágio de rotação com velocidade controlada, fazendo o laser do sensor variar sua posição com relação ao fotodetector, com a passagem completa do laser do sensor por toda área do fotodetector obteve-se a curva característica do sensor. 3. Modelo Matemático 3.1 Cálculo da posição do spot óptico A matriz ABCD foi então montada à partir do arranjo experimental mostrado na Fig. 2, considerando-se que a perturbação P causa uma variação de ângulo θ tanto no feixe de ida (da lâmina até o espelho) como no feixe de volta (do espelho até a lâmina). Analisando-se o feixe de ida na Fig. 3 considera-se que a perturbação P o desvia maneira que este passe a ter um ângulo θ. A matriz ABCD do setup experimental, para obter-se a altura e o ângulo no fotodetector é a seguinte: (1) (2) Para o caso em que o fotodetector (PD) está localizado no foco da lente (L), = e, portanto, o segundo termo da equação anterior torna-se nulo e assim temse a seguinte simplificação: (3) Finalmente, pode-se calcular a posição do centro do spot óptico, no plano do fotodetector, em função do ângulo de deflexão θ, ou seja, utilizando-se a equação para θ). 3.2 Cálculo do coeficiente de transferência de potência Para o cálculo do coeficiente de transferência de potência em coordenadas retangulares, considera-se que a origem do sistema está localizada no centro do fotodetector. Considera-se que o spot óptico é dado por uma função gaussiana e, portanto, sua irradiância (intensidade óptica) pode ser descrita como: (4) onde é a coordenada horizontal, a coordenada vertical, é a potência óptica total do spot óptico. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

89 89 A potência acoplada ao fotodetector pode ser calculada pela integral da intensidade na área do fotodetector, de acordo com: (5) onde é o elemento diferencial de área (do fotodetector). A razão entre a potência acoplada ao fotodetector e a potência total é chamada de coeficiente de transferência de potência,, considerando que a integral é simétrica em relação ao eixo, esta pode ser calculada como duas vezes a integral de 0 a de acordo com: seção 2.4 a curva característica teórica gerada pelo software é mostrada na Fig.4. em conjunto com a curva experimental. Tanto a simulação como o experimento foram realizados sem a utilização de knifeedge. (6) A equação anterior trata-se da integral de uma função gaussiana sobre uma área não retangular. Dessa forma, para se determinar os extremos de integração, deve-se primeiramente obter a equação da curva em função da variável e, em seguida, deve-se obter os pontos extremos desta curva na direção. A equação do círculo fotodetector é dada por: (7) onde é o raio do fotodetector. Portanto alterando os extremos de integração e fazendo as devidas manipulações, a curva característica do sensor pode ser então obtida através da seguinte integral: 4. Resultados e Discussão (8) 4.1 Curva característica teórica e experimental A curva característica teórica do sensor foi obtida por meio de simulação computacional. O software utilizado para a simulação foi o Matlab. Utilizando os parâmetros de entrada representados na Fig. 4. Curva característica teórica e experimental. Analisando-se o gráfico da Fig.4, podese perceber que os dados experimentais concordam com a curva teórica, dessa forma, o sensor funciona adequadamente e pode ser empregado para medições de deslocamentos angulares ( ), dinâmicos. 4.2 Teste do sensor com laser pulsado As formas de ondas das dez primeiras variações na altura, são mostradas na Fig.5. A legenda mostra cada altura do sensor em relação a amostra em 0,635 mm. Observa-se de acordo com o gráfico da Fig. 5, que com o aumento da altura do sensor em relação à superfície da amostra soldada, há uma diminuição da velocidade de propagação da onda acústica no ar. Este experimento mostra também a capacidade do sensor de detectar sinais acústicos, gerados por um laser pulsado, dessa forma, pode ser utilizado para detecção dos sinais em solda a laser. 4.3 Ensaio do sensor para sinais gerados por laser continuo Realizou-se um experimento de acordo com a metodologia descrita na seção 2.3, a amostra obtida após a passagem do laser, esta mostradas na Fig 6. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

90 90 Fig. 5. Forma de onda para cada altura do feixe do sensor. Observa-se maiores alterações no cordão de solda, causados pelo laser, aproximadamente no centro do cordão, onde o laser atingiu seu foco. Fig. 6. Cordões de solda na amostra 2. O sinal gerado pelo sensor é mostrado na Fig. 7. Fig. 7. Sinal gerado pelo cordão de solda. 4.4 Comparação entre amostra e sinal É possível observar que o sensor captou dois tipos de soldagem, sendo de 0 mm até 25 mm, soldagem de condução e entre 25mm e 40 mm quando o laser passa pelo foco, soldagem keyhole. Na Fig. 9 mostra-se o sinal em conjunto com o cordão de solda, alinhados pela. Pode-se observar a alteração do sinal quando o regime de soldagem passa de condução para keyhole. Observa-se na Fig.9 que o sinal no regime de condução apresenta menor amplitude, diferente do regime keyhole onde o sinal apresenta maior amplitude. Fig. 9. Cordão 2 ampliada com estereoscópio. 5. Conclusões Os experimentos iniciais mostraram que o sensor é capaz de detectar os sinais gerados pela solda, utilizando o laser pulsado, o sensor passou a ser aplicado em soldagem realizada por um laser contínuo, em que foi possível perceber diferenças entre os sinais do sensor para dois regimes de soldagem deferentes: condução e keyhole. Os próximos passos envolvem um estudo da relação entre os sinais do sensor e as imperfeições da soldagem. Para uma melhor caracterização, analises metalográficas das amostras devem ser feitas para correlação entre sinal obtido e imperfeição na solda. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento de projeto, processo n o /2013-0, e pelo provimento de bolsa de iniciação cientifica PIBIC, processo n o / Ao Rafael H. M. Siqueira, pelo auxílio na utilização de estereoscópio. Referências E. WEINER. Soldagem: Processos e metalurgia, 2ª Ed., [S.I]: Editora Blücher, J. N. CARON; Y. YANG; J. B. MEHL; K. V. STEINER. Gas-coupled laser acoustic detection at ultrasonic and audio frequencies, Rev. Sci. Instrum. v. 69, 2912 (1998). N. A. S. RODRIGUES; L. C. M. MIRANDA, Thermoelectric amplification of acoustic waves observed in Ni using optical-beam-deflection detection, Phys. Rev. B 42, (1990). R. A. BARNES Jr; S. MASWADI; R. GLICKMAN; M. SHADARAM, Probe beam deflection technique as acoustic emission directionality sensor with photoacoustic emission source, Appl. Opt. 53, (2014). K. C. JORGE. Método para caracterização da propagação de feixes de laser pulsado em tempo Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

91 91 real baseado na análise de imagens geradas por espalhamento de radiação Tese de doutorado em Física Atômica e Molecular Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

92 92 INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE CATALISADORES SOBRE A MACROPOROSIDADE DO CARBONO VÍTREO J. C. Arisseto¹, F. D. Origo²* 1 Universidade Federal de São Paulo, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo No presente projeto foi comparada a influência da concentração dos catalisadores sobre a macroporosidade do Carbono Vítreo Monolítico (CVM) utilizando-se diferentes ácidos como p-tolueno sulfônico (PTLS), nítrico, clorídrico, sulfúrico e fosfórico. Tais catalisadores foram empregados para a polimerização da resina furfurílica, o material precursor do CVM. A macroporosidade do material foi analisada após a carbonização das amostras (1200ºC), através de imagens realizadas em microscópio óptico e eletrônico de varredura. Palavras-chave: Catalisador, Carbono vítreo, Macroporosidade, Carbonização. 1. Introdução Os materiais carbonosos tem tido bastante destaque na atualidade em aplicações industriais, especialmente na indústria aeroespacial. Por exemplo, os compósitos carbono-carbono tem sido empregados desde a indústria aeronáutica até os setores de esporte e construção civil, pois apresentam alta resistência mecânica e baixa densidade, o que os torna forte competidores do alumínio e do titânio (Rezende, 2000). Dentre diversos tipos de carbonos poliméricos, destaca-se o carbono vítreo monolítico - CVM (Jenkins, 1976; Zarzyck, 1991), que recebe este nome devido sua fratura e aparência serem similares às dos vidros. Trata-se de material já comercializado, condutor de eletricidade, biocompatível, impermeável a gases, com alta inércia química, resistente a altas temperaturas em atmosferas inertes. Suas propriedades elétricas são parecidas com as do grafite e suas propriedades mecânicas são parecidas com as dos vidros borossilicatos (Zarzyck, 1991). Podem ser aplicados como eletrodos, substratos para espelhos de satélites, pratos de evaporação, substrato para microscopia eletrônica, cadinhos para alta temperatura, válvulas cardíacas, dentre outros. O CVM é obtido através da adição de um catalisador (Cheng, 2010) à resina precursora rica em carbono, como, por exemplo, as resinas furfurílica ou fenólica, para que assim ocorra sua polimerização. Em seguida, a resina é vertida em seus devidos moldes e, após alguns dias, as amostras já rígidas, são levadas ao forno a até 1200ºC - em atmosfera inerte ou em vácuo, para que haja liberação de água, metano, hidrogênio, gás carbônico, entre outros voláteis - onde serão carbonizadas. Feita a carbonização, as amostras encontram-se com uma matriz pura de carbono. O objetivo deste trabalho foi comparar os efeitos de diferentes concentrações de um mesmo catalisador, bem como comparar também diferentes tipos de catalisadores entre si nas mesmas concentrações, sendo o maior desafio a obtenção de peças de CVM com baixa macroporosidade, já que os poros maiores, de tamanho micrométrico, são responsáveis pela quebra e perda de amostras produzidas. 2. Metodologia 2.1 Preparação de amostras de CVM com diferentes catalisadores nas mesmas concentrações. Segundo estudos realizados anteriormente no laboratório do IEAv, foram selecionados cinco ácidos catalisadores diferentes para a polimerização do CVM: p-tolueno sulfônico, clorídrico, nítrico, sulfúrico e fosfórico. A partir desta seleção, foram feitos testes variando apenas a concentração do ácido a ser vertido sobre a resina furfurílica, cujos valores de título (τ) escolhidos foram: 0,3, 0,5 e 0,65 (m/m), sendo necessário, para Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

93 93 tanto, diluí-los em água até atingir tais concentrações desejadas. A massa total de ácido foi calculada a partir da Eq. 1, a qual depende da massa de resina a ser utilizada, da massa molar do catalisador empregado e do parâmetro constante para todos os catalisadores de 10-4 moles de catalisador por grama da resina. Esse valor foi escolhido baseado em experimentos realizados anteriormente para que, a partir dele, pudesse ser observado o efeito de cada catalisador distinto através da mesma concentração molar de catalisador diluído na resina precursora. (1) A massa de catalisador necessária, calculada através da Eq. 1, foi então adicionada à resina furfurílica e homogeneizada manualmente por cinco minutos através de um bastão de vidro. Em seguida, o material foi centrifugado por 7 minutos a 3000 rpm para reduzir as bolhas grandes formadas pela reação com o catalisador. Depois a resina foi vertida em moldes redondos de borracha de silicone, como mostra a Fig. 1, e, após a completa polimerização com ajuda de uma estufa para acelerar o processo, cuja temperatura máxima atingida foi de 95º C, as peças foram desmoldadas e colocadas num forno tubular, onde foram lentamente carbonizadas a até 1200 C aproximadamente, em atmosfera de nitrogênio para evitar a oxidação do carbono vítreo. O tempo de duração da etapa de carbonização, em que o forno precisa ser aquecido e resfriado, conforme a taxa determinada pelo operador, foi de sete dias. Fig. 1. Resina vertida sobre o molde de borracha de silicone após centrifugação. Em seguida, algumas das amostras já curadas foram primeiramente coladas com piche vegetal sobre um prato de vidro, usinadas por 8 horas em uma fresadora Carl Zeiss com rebolo de diamante para se obter um nivelamento das mesmas e, consequentemente, um brilho superficial, e polidas em pasta de diamante de ¼ µm de granulação, em uma velocidade de rotação de 10 rpm, lubrificadas com glicerina em um intervalo de 24 a 36 horas. Todo esse procedimento foi necessário para que suas superfícies pudessem ser estudadas por microscopia óptica através de um microscópio Olympus BX51, utilizando a lente objetiva de 20X, e pelo microscópio eletrônico de varredura MEV, da marca Hitachi TM3000. A média da macroporosidade foi calculada utilizando 3 ou 4 imagens de cada superfície geradas apenas pelo MEV, empregando o software ImageJ, o qual converte os tons escuros da imagem tirada no microscópio para a cor branca, e converte a cor branca em preta, que representa os poros (Fig. 2). Fig. 2. Polimento, análise no MEV e tratamento da imagem pelo ImageJ respectivamente. Além disso, foram obtidas informações pelo próprio ImageJ a respeito da contagem de poros, área total da porosidade e diâmetro de Feret de cada amostra. Em seguida, calcularam-se as médias da área total de porosidade e da área dos poros através do software Origin. 3. Resultados e Discussão Após as amostras se enrijecerem com a ajuda do aquecimento da estufa (para acelerar o processo de polimerização) e, consequentemente, ser possível retirá-las de seus moldes, foi possível realizar todas as etapas consecutivas necessárias para se obter amostras de carbono vítreo das amostras de título 0,3, exceto as amostras de p-tolueno sulfônico, as quais tiveram todas as etapas finalizadas para as de títulos 0,3, 0,5 e 0,65. Para o ácido clorídrico, o título mínimo é 0,3, pois esse ácido já vem diluído comercialmente nessa concentração. A Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

94 Área Total (m) Área Total (m) Área Total (m) 94 maioria dos ácidos estudados neste trabalho não pode ser obtida com concentração acima de 0,65. Dessa forma, foram escolhidos valores de título no intervalo entre 0,3 e 0,65. Foram então selecionadas em torno de 3 a 4 amostras por catalisador de título 0,3, já carbonizadas para serem analisadas. Mesmo havendo algumas trincas pela estrutura causadas após a carbonização, cada uma das peças escolhidas e já polidas foi cuidadosamente analisada primeiramente no microscópio óptico. Depois foram observadas no MEV (Fig. 3), de cujas micrografias se obteve o valor da média da macro área total da porosidade e das médias das áreas dos poros (pequenos, médios e grandes) de cada estrutura de CVM formada por catalisador testado. Tais médias foram plotadas em forma de diagramas pelo Origin, mostradas na Fig. 4. a) Já através dos diagramas gerados na Fig. 4, nota-se que as médias das áreas de ácido sulfúrico, por exemplo, cujo tempo de polimerização é lento, apresentam elevada área total de porosidade composta por poros grandes (maiores que 20 μm). 700 Sulfúrico < >20 Área do poro (m) P-Tolueno < >20 Área do poro (m) 50 Ácido fosfórico b) 10 0 < >20 Área do poro (m) Fig. 3. Imagens de MEV com resolução de 30 μm; a) superfície da amostra de ácido p- toluenossulfônico, b) superfície da amostra de ácido sulfúrico. É possível notar pelas imagens da Fig. 3a diferença na quantidade de poros presentes em ambas as superfícies. Na imagem A, composta por ácido p-tls, percebe-se a grande quantidade de poros na matriz, representados pelos pontos mais escuros. Já na imagem B, a qual é de uma amostra de ácido sulfúrico, há poucos poros espalhados, porém de diâmetros grandes. Fig. 4. Médias da Área total x área do poro de cada catalisador com título 0,3 (m/m). Por outro lado, amostras de ácido p- tolueno, que possuem um tempo de polimerização mais rápido, possuem baixa área total de poros grandes, mas são compostas pela maioria de poros médios (entre 5 e 20 µm). Além das amostras de p- tolueno de concentração 0,3 foi possível finalizar também todas as etapas necessárias já citadas com as amostras de 0,5 e 0,65, porém, neste caso, os resultados obtidos foram baseados em 10 imagens realizadas pelo microscópio óptico. A comparação entre as concentrações é mostrada na Fig. 5 abaixo. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

95 Fração de poros (%) PTLS ,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 Concentração do catalisador (v/v) Fig. 5. Comparação entre diferentes concentrações do mesmo catalisador. As barras verticais representam os desvios padrões da média. É possível observar através da Fig. 5 que a maior porosidade encontrada nas amostras, com 9%, foi causada pelo catalisador de concentração 0,5, em cuja composição há 50% de água e 50% de ácido. Já o catalisador com 0,3 de concentração teve sua fração de poros bem parecida, com aproximadamente 8,5%. Por outro lado, a concentração de 0,65 foi a que menos promoveu poros nas amostras. Tal resultado poderia ser explicado pelo fato de o catalisador 0,65 possuir mais ácido (65%) do que água (35%); durante a carbonização há menos quantidade de água para ser eliminada e menos poros são formados. Sendo a água a maior responsável pelo aparecimento dos poros conforme a temperatura se eleva, a porosidade total será menor. Porém, o uso da água na diluição do catalisador puro é indispensável. Tal afirmação foi confirmada em estudos anteriores realizados no grupo, uma vez que a água tem um papel fundamental de ajudar a diluir o catalisador no interior da resina. Sem ela, ou seja, utilizando-se um catalisador puro, a resina não se enrijece, pois como o ácido estará bem concentrado, ao ser vertido, ele irá reagir somente no local em que houve contato imediato com a resina. Assim, não ocorre a necessária diluição do catalisador no interior da resina. A partir dos resultados apresentados, pode-se concluir primeiramente que a variação da concentração de um mesmo catalisador, no caso o p-toluenossulfônico, vertido sobre a resina furfurílica irá influenciar na macroporosidade final das amostras. Com isso, a concentração de 0,65 de catalisador mostrou-se a melhor opção, já que nesta concentração houve menor fração de poros. Já em relação aos resultados baseados em imagens de MEV, nas quais todos os catalisadores com concentração 0,3 foram estudados, conclui-se que a área total varia de acordo com cada catalisador e o tamanho de poro, sendo que as amostras de ácido p-tolueno tiveram poros na maioria com tamanhos entre 5 e 20 μm e as de ácido sulfúrico e nítrico compostas na maior parte por poros grandes, maiores que 20 μm. Agradecimentos Ao Dr. Walter Miyakawa pelas medições de MEV. Ao IEAv pela oportunidade, e ao PIBIC/CNPq pelo suporte financeiro. Referências CHENG, Lung-Teng.; TSENG Wenjea; J. Polym. Res.17, p , JENKINS, Gwyn; KAWAMURA, Kiyoshi. Polymeric carbons carbon fibre, glass and char, Cambridge, New York, Cambridge University Press, REZENDE, Mirabel. Polímeros 10, 2, p.1-6, ZARZYCK, Jerzy. Materials Science and Technology a Comprehensive Treatment Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Conclusão Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

96 96 INVESTIGAÇÃO DOS PARÂMETROS EXPERIMENTAIS DA CÂMERA PCO DIMAX D. Carinhana 1, L. M. Vialta 2* Projeto: Projeto Hipervel. 1 Universidade Estadual de Campinas - Departamento de Química, Campinas SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo O tempo de vida de plasmas gerados pela deposição de energia laser em condições atmosféricas foram investigados utilizandose uma câmera de alta velocidade, com taxa de repetição de ca quadros por segundo. No entanto, os efeitos térmicos foram observados em um tempo muito superior ao esperado, cerca de 2µs. Palavras-chave: Plasma, Espectroscopia, Velocimetria. 1. Introdução A palavra plasma vem do grego e significa algo moldado. O plasma pode ser produzido pelo aumento da temperatura de uma substância até que seja obtida uma fração razoavelmente alta de ionização. Em condições de equilíbrio termodinâmico, o grau de ionização e a temperatura dos elétrons estão intimamente relacionados. O plasma pode ser produzido ainda por processos que aumentam o grau de ionização em um nível muito acima do seu valor de equilíbrio térmico (GRIEM 1997). No processo de fotoionização, a ionização ocorre por absorção de fótons incidentes cuja energia é igual, ou maior, ao potencial de ionização do átomo absorvente. O excesso de energia do fóton é transformado em energia cinética do par de elétrons dos íons formados. Quando a fonte de radiação ionizante é desligada, a ionização diminui gradualmente em função da recombinação, até que seja atingido um valor de equilíbrio consistente com a temperatura do meio. No laboratório, a recombinação geralmente ocorre tão rapidamente que o plasma desaparece completamente em uma pequena fração de segundos (BITTENCOURT 2004). Os plasmas estão presentes em diferentes técnicas de diagnóstico de escoamentos, em particular, nos métodos não intrusivos de velocimetria. A técnica LIFV, Laser Induced Fluorescence Velocimetry (DANEHY 2003), por exemplo, baseia-se na marcação de uma dada espécie química presente no escoamento. De posse de suas características espectrais, é possível escolher um dado comprimento de onda do laser incidente capaz de popular seus estados eletrônicos excitados, os quais, após um tempo de vida característico, sofrem decaimento, emitindo, assim, o sinal de fluorescência induzida pela absorção do laser. 2. Metodologia O breakdown do ar atmosférico foi gerado por um laser Quantel de 10 Hz, com emissão em 532 nm. Uma lente planoconvexa de 100 mm de distância focal foi utilizada para concentrar a deposição de energia. O plasma formado foi imageado por uma câmera CMOS. A câmera foi posicionada em um ângulo de 90º com a trajetória do laser, a fim de prevenir danos associados ao excesso de incidência de luz sobre o sensor da câmera (Figura 1). Fig. 1. Arranjo experimental utilizado para a captação de imagens do plasma. A aquisição de imagens foi feita em dois regimes: em sincronismo (Triggered) com os pulsos do laser e em modo contínuo. No modo sincronizado, os resultados são uma média de 16 imagens, enquanto que no contínuo, apenas uma. Os parâmetros de operação da câmera utilizados são mostrados na Tabela 1. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

97 97 Tab. 1. Parâmetros de operação da câmera. Triggered Contínuo Tempo de atraso (Delay) 0 a 20 µs ---- Tempo exposição 1,0 µs 1,0 µs Quadros por segundo ,896 A operação da câmera, à exceção de suas lentes, foi feita por meio de um programa computacional. A análise da frequência dos sinais de sincronismo foi realizada por meio de um osciloscópio Agilent, modelo DSO 5014A. 3. Resultados e Discussão No modo sincronizado, um sinal elétrico do tipo TTL (Transistor-Transistor Logic), proveniente da fonte do laser, é utilizado como referência para o início da operação da câmera. Esse regime apresenta a vantagem de a câmera operar de maneira sincronizada com o laser e, como consequência, com o plasma gerado. A intensidade de luz registrada pelo sensor digital é dada pelo tempo de abertura da câmera, durante o qual os pixels do sensor CMOS permanecem ativos. Como termo de comparação, em uma câmera fotográfica, o tempo de exposição é dado pela abertura do obturador mecânico que controla a entrada de luz no dispositivo. Antes do início da exposição da câmera à luz inciente, é possível adicionar-se um tempo de atraso na aquisição das imagens (delay), tomando-se como referência o sinal do trigger do laser. Com esse procedimento, é possível acompanhar a evolução temporal do sistema imageado. A Figura 2 mostra as imagens do plasma atmosférico obtidas em diferentes intervalos de atraso. sinal de trigger do laser. Em torno da emissão, pode-se visualizar uma segunda região não-radiativa associada ao aumento de temperatura provocado pela deposição de energia do laser. O registro dessa perturbação se estendeu até o valor de atraso permitido pela câmera, de 40 ms. Esse resultado, no entanto, fugiu de quaisquer expectativas com base nos resultados da literatura (GRIEM 2005), cujo valor se situa na ordem de microssegundos. 4. Conclusões A câmera utilizada permitiu a investigação temporal do plasma formado pela deposição de energia laser no ar atmosférico. O estabelecimento das condições de formação, como o tempo de vida de 4 µs, consiste em um aspecto fundamental das atividades previstas no projeto envolvendo a obtenção dos espectros do plasma. Agradecimentos Ao CNPq e à FINEP. Referências GRIEM, H. R. Principles of Plasma Spectroscopy. 1. Ed. Cambridge: Cambridge BITTENCOURT, J. A. Fundamental of Plasma Physics. 9. Ed. Nova York: Springer, DANEHY, P. M, Flow-Tagging Velocimetry for Hypersonic Flows Using Fluorescence of Nitric Oxide. AIAA Journal, v. 41, n. 2, p , Fev Fig. 2. Sequência de imagens obtidas com atrasos de 0, 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0 µs. A Figura 3 mostra que a radiação emitida pelo plasma, representada pela região de coloração branca, permanece visível até um máximo de atraso de 2,0 µs, considerando o Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

98 98 IRRADIAÇÃO A LASER DE REVESTIMENTOS NiCrAlY DEPOSITADOS VIA HVOF M. F. S. Ferreira 1*, V. Teleginski 2,3, D. C. Chagas 2,3, G. Vasconcelos 2,3, A. C. C. Oliveira 2 Projeto: Desenvolvimento das técnicas de aplicação de revestimentos cerâmicos particulados via laser de CO 2. 1 ETEP Faculdades São José dos Campos SP. 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Neste estudo depositou-se pó de NiCrAlY pelo processo de aspersão térmica (HVOF High Velocity Oxygen Fuel) em substratos da superliga Inconel 625. Utilizou-se um laser de CO 2 para promover uma ligação metalúrgica entre o NiCrAlY que compõe-se dos elementos (Ni Níquel, Cr Cromo, Al Alumínio e Y Itria) e o substrato. Foi realizado um estudo com relação a influência da velocidade de varredura do feixe na qualidade dos revestimentos obtidos. As amostras foram caracterizadas por técnicas de microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por dispersão de energia. O laser mostrou-se eficiente para produzir revestimentos homogêneos, sem porosidade, melhorando sua qualidade em relação a deposição por HVOF. Palavras-chave: NiCrAlY, HVOF, Laser de CO 2, Revestimentos. 1. Introdução Palhetas de turbinas de aeronaves ou de termoelétricas são partes mecânicas submetidas a elevadas temperaturas, esforços mecânicos de fluência, fadiga e a ambientes quimicamente agressivos. Utilizou-se o método hipersônico de aspersão térmica (HVOF High Velocity Oxygen Fuel) em substrato da superliga Inconel 625. Devido a isso devem ser fabricadas com materiais resistentes, a oxidação e que apresentem elevado ponto de fusão (Schubert, 1984) e normalmente são empregadas superligas a base de níquel. No entanto, em temperaturas elevadas estão sujeitas a maiores taxas de oxidação e devem ser protegidas. A redução da temperatura destas palhetas se faz mediante a utilização de canais de refrigeração internos. Contudo, deve-se manter o compromisso entre temperatura de trabalho e nível de refrigeração para que se obtenha a máxima eficiência da turbina. É neste contexto que se insere o uso dos revestimentos que atuam como barreira térmica e química, chamados TBC (Thermal Barrier Coatings). Esses revestimentos possibilitam a elevação da temperatura na superfície da palheta (beneficiando a eficiência energética) sem comprometer a resistência mecânica do substrato (Sims, 1987; Almeida, 2006). A Fig. 1 apresenta uma palheta de turbina que é constituída de duas partes: uma base para fixação no rotor da turbina e o corpo da palheta. Na Fig. 1 também é demonstrada a engenharia de revestimento TBC, que é constituído de uma camada de zircônia (ZrO 2 ) para proteção térmica, uma camada de óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) crescido termicamente (TGO Thermally Grown Oxide) e pelo revestimento de ligação (MCrAlY). Fig. 1. Fotografia de uma palheta de turbina e esquemático da constituição do TBC (Padture, 2002). MCrAlY é a família de revestimentos de ligação que compõe-se dos elementos onde M representa o principal metal da liga, que pode ser cobalto, níquel, ferro ou Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

99 99 combinações, Cr Cromo, Al Alumínio e Y Itria (Saymana, 2009). Embora estes revestimentos sejam eficientes, há ainda desafios tecnológicos a serem superados, como aumentar a qualidade dos revestimentos depositados via HVOF, como redução de porosidade. O objetivo deste trabalho é melhorar a qualidade de revestimentos NiCrAlY depositados por HVOF sobre um substrato de Inconel 625, utilizando irradiações de um feixe de laser de CO Metodologia O material utilizado como substrato foi a superliga Inconel 625, que foram cortadas em forma de pastilhas com diâmetro de 12,5 mm e espessura de 3 mm. A composição química do substrato (% em peso) é apresentada na Tab. 1. Tab. 1. Composição química (% em peso) do substrato de Inconel 625. Ni Cr Mo Fe Si Mn C 68,0 22,0 8,5 0,4 0,3 0,1 0,01 Os revestimentos foram obtidos utilizando material particulado de NiCrAlY, com 21 μm de tamanho médio de partícula. As partículas de NiCrAlY possuem formato arredondado, conforme indica a micrografia da Fig. 2, e sua composição química é de 47% de Ni, 31% de Cr, 11,3% de Al, 0,7% de Y. Fig. 2. Morfologia das partículas do pó de NiCrAlY. Antes da aplicação do NiCrAlY por HVOF, as amostras foram jateadas com granalha de aço para se obter uma melhor aderência do recobrimento, devido ao aumento da rugosidade da superfície. No sistema de deposição por HVOF, o material do revestimento na forma de pó é transferido de forma concêntrica ao bico da pistola, utilizando nitrogênio como gás de arraste, conduzindo o pó para a chama que foi gerada pela combustão de querosene. O material é fundido sendo atomizado e gerando um jato de exaustão de alta velocidade, conforme Fig. 3. Fig. 3. Esquemático da aspersão de NiCrAlY por HVOF. Após a aspersão do NiCrAlY pelo método de HVOF, as amostras foram irradiadas com um feixe de laser de CO 2, (Synrad 125 Evolution), utilizando 125 W de potência, com a amostra posicionada na região de focalização do feixe, onde o diâmetro do feixe é 0,180 mm. As trilhas de varredura do feixe se sobrepõem em 75% de pulsos. No tratamento com laser CO 2, variou-se a velocidade de varredura de 100, 200, 400 e 600 mm/s. Fig. 4. Esquemático da irradiação a laser do revestimento de NiCrAlY. Foram realizadas caracterizações por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e quantificação de elementos por espectroscopia por dispersão de energia (EDS). Para isso, as amostras foram preparadas por técnicas convencionais de metalografia, envolvendo embutimento com baquelite, lixamento (600, 800, 1200 #), polimento com alumina (3, 1 e 0,3 µm) e ataque químico com o reagente Carpenter (8,5 g de FeCl 3 +2,5 g de CuCl ml de álcool+122 ml de HCl+6 ml HNO 3 ). 3. Resultados e Discussão 3.1 Aspersão térmica por HVOF Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

100 100 As análises microestruturais da seção transversal do revestimento de NiCrAlY após a deposição por HVOF foram realizadas utilizando MEV. É possível observar poros e vazios no revestimento, conforme mostra a Fig. 5a. A ligação com o substrato é mecânica e sua força de adesão é dependente da rugosidade inicial do substrato. O mapeamento por EDS dos elementos Ni, Cr e Al estão indicados na Fig. 5b, c e d. Verifica-se uma distribuição homogênea dos elementos no revestimento e substrato. 100, 200, 400 e 600 mm/s. Para todas as velocidades mostradas na Fig. 6 são observadas porosidades residuais do processo de HVOF na interface entre o revestimento e o substrato. Isso indica que o tempo de interação entre o laser e o material não foi suficiente para promover um aumento da temperatura até que se atingisse a fusão do revestimento em toda sua extensão. A temperatura na superfície aumenta com a intensidade do feixe de laser, I, e o tempo de interação, t i (Steen, 2010), conforme a Eq. (1), considerando-se apenas condução: Eq. (1) Fig. 5. (a) Secção transversal da amostra com revestimento NiCrAlY depositado por HVOF. Mapeamento por EDS do (a) NiCrAlY dos elementos (b) Ni, (c) Cr e (d) Al. A superfície do revestimento é irregular e porosa (Fig. 5a). Segundo Kulkarni (2004) os depósitos feitos por HVOF envolvem a contínua e rápida deposição de material e geralmente a solidificação de gotas fundidas ou semifundidas. Este processo resulta em microestruturas imperfeitas, incluindo porosidade devido à oxidação. 3.2 Tratamento a laser após HVOF Após a aspersão do pó de NiCrAlY por HVOF, as amostras foram tratadas com o feixe de laser CO 2. Foram testados parâmetros de tratamento com laser de CO 2, com o objetivo de escolher o tratamento em que ocorre ligação metalúrgica que consiste em transformar o pó metálico em peças resistentes, sem recorrer à fusão, utilizando apenas pressão e calor entre o substrato e o revestimento. A Fig. 6 apresenta quatro diferentes velocidades de varredura do feixe: Fig. 6. Secção transversal das amostras tratadas com laser de CO 2. A extensão do calor abaixo da superfície depende principalmente do tempo de interação. Comparando-se as micrografias das diferentes velocidades observa-se que quanto menor a velocidade, maior a profundidade da camada fundida. A Fig. 7 apresenta a amostra tratada com velocidade reduzida para 50 mm/s. Nessas condições, foi possível fundir toda a extensão do revestimento, pois não são observadas porosidades do processo HVOF. A ausência de uma interface bem definida, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

101 101 como era observado na Fig. 5ª indica a ocorrência de ligação metalúrgica. Segundo estudos de Teleginski et al (2014), a ligação metalúrgica ocorre quando há fusão de uma fina camada do substrato juntamente com o revestimento, misturando seus elementos de liga. Fig. 7. (a) Secção transversal da amostra tratada com laser. Mapeamento por EDS dos elementos (b) Cr, (c) Al e (d) O. Na análise de EDS mostrada na Fig. 7 é possível observar a segregação de alumínio e oxigênio na superfície do revestimento, indicando a formação de óxido de alumínio na superfície. 4. Conclusões O tempo de interação entre o feixe de laser de CO 2 e o revestimento é um parâmetro importante para a obtenção de ligação metalúrgica entre o substrato e o revestimento. Quando as velocidades de varreduras são elevadas, apenas uma camada superficial do revestimento é afetada pelo tratamento, permanecendo uma camada porosa na interface. Para a velocidade de 50 mm/s foi possível tratar toda a espessura do revestimento, possibilitando ligação metalúrgica entre o substrato e o revestimento. Além disso, o tratamento por irradiação com laser de CO 2 permitiu a homogeneização e eliminação de poros. Agradecimentos Ao CNPq, PIBICTI Vale S.A. processo n /2014, a FAPESP processo n 2013/ Referências ALMEIDA, D. S. et al. EB PVD TBCs of zirconia co-doped with yttria and niobia, a microstructural investigation. Surface and Coatings Technology, v. 200, n 8, p , KULKARNI, A. et al. Studies of the microstructure and properties of dense ceramic coatings produced by high-velocity oxygen-fuel combustion spraying. Materials Science and Engineering A, v. 369, n 1 2, p , PADTURE, N. P.; GELL, M.; JORDAN, E. H. Thermal barrier coatings for gas-turbine engine applications. Science, v. 296, n. 5566, p , SAYMANA, O. et al. Thermal stress analysis of Wc Co/Cr Ni multilayer coatings on 316L steel substrate during cooling process. Materials Design, v. 30, p , SCHUBERT, F. Temperature and time dependent transformation: Application to heat treatment of high temperature alloys. Em Superalloys Source Book, DONACHIE, M. J., Metals Park, Ohio, U.S.A.: ASM International, 1984, 88 p. SIMS, C. S; STOLOFF, N. S.; HAGEL, W. C. Superalloys II high temperature materials for aerospace and industrial power. New York: John Willey, 1987, 640 p. STEEN, W.M.; MAZUMDER, J. Laser material processing. 4ª ed. Londres: Springer, p. TELEGINSKI, V. et al. Yb: fiber laser surface texturing of stainless steel substrate, with MCrAlY deposition and CO 2 laser treatment. Surface and Coatings Technology, v. 260, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

102 102 METODOLOGIA DE MONTAGEM DE UM VANT DO TIPO VTOL PARA EXPERIMENTOS DE POUSO AUTÔNOMO M. E. L. Honorato 1*, V. C. F. Gomes 2, L. H. M 1 Dias, M. R. C. Aquino 2, D. Geraldo 2, F. L. L. Medeiros 2 1 Universidade Federal do Estado de São Paulo SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho se insere no Projeto de Pouso Autônomo de VANT do tipo VTOL, onde é utilizada visão computacional para reconhecer um heliponto e corrigir sua posição. Neste trabalho, o objetivo é definir uma arquitetura, os componentes e realizar a montagem de um VANT do tipo VTOL para a realização de experimentos de pouso autônomo. Para isso, foi utilizada uma solução para a integração de módulo de visão computacional e piloto automático que viabilizasse o controle da aeronave tanto pelas aplicações como por piloto e estação em solo. Para a definição das características dos componentes, foi utilizado um software de simulação de parâmetros de voo do VANT. A avaliação da aeronave montada foi realizada através de testes pré e em voo. Os resultados obtidos apresentam as características e limitações do VANT produzido e, através de voos e coleta de vídeos aéreos, há indicação de êxito na montagem do veículo. Palavras-chave: Visão Computacional, Ardupilot, Raspberry PI, ecalc. 1. Introdução Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) são aeronaves projetadas para operar sem piloto a bordo. Esses veículos podem ser Aeronaves Remotamente Pilotadas (RPA, do inglês Remotely-Piloted Aircraft) ou aeronaves autônomas. No primeiro caso, o piloto controla a aeronave remotamente, enquanto que no segundo, a aeronave, uma vez programada, não permite intervenções externas até completar seu vôo. Diversos motivos têm favorecido a popularização dos VANTs nos últimos anos. Destacam-se o rápido avanço em eletrônica, a miniaturização de tecnologias e a vasta gama de aplicações possíveis para esse tipo de veículo. Entre as principais vantagens de VANTs em relação a aeronaves tripuladas, podemos citar: a realização de tarefas que colocariam em risco a tripulação de aeronaves convencionais e o custo de operação reduzido em relação à operação de uma aeronave convencional na realização de determinadas tarefas. Atualmente utilização de VANTs é comum tanto no âmbito civil quanto no meio militar. A autonomia dessas aeronaves está associada à utilização de meios computacionais para a realização de tarefas como navegação, decolagem, pouso, monitoramento, rastreamento e etc (Sousa, 2014). O pouso autônomo de VANTs que fazem decolagem e pouso na vertical (VTOL, do inglês Vertical Take-Off and Landing) em helipontos consiste em um problema complexo devido à existência de um erro significativo entre a posição real de um heliponto e a posição do mesmo estimada pelo sistema de navegação do VANT, quando este sistema é baseado na fusão entre dados obtidos por um receptor de Global Positioning System (GPS), sensores inerciais, magnetômetro e barômetro. Uma solução para este problema é a utilização de técnicas de visão computacional (Sanchez-Lopez, 2014) para o reconhecimento automático de helipontos através de imagens obtidas por uma câmera instalada no VANT. Essas técnicas permitem a estimação de posição do VANT para correções de voo. Com o objetivo de fornecer uma plataforma para a realização de testes de pouso autônomo, este trabalho visa a definição dos componentes necessários, a estimação de parâmetros de voo e a montagem de um VANT multirrotor do tipo VTOL. Além disso, deseja-se que a plataforma possua todos os recursos necessários para a execução de algoritmos de visão computacional e com a Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

103 103 possibilidade de envio de comandos para a correção da posição do VANT durante o pouso. 2. Metodologia De modo a viabilizar a montagem de um VANT para experimentos de pousos autônomos foram definidos alguns requisitos que contemplassem características quanto à carga a ser transportada, ao tempo de voo para os experimentos e à capacidade de monitoramento dos parâmetros do VANT durante o voo. Os requisitos elencados são: utilização de componentes de baixo custo e de fácil aquisição; capacidade de transporte de câmera e computador para execução de algoritmos de visão computacional; autonomia de voo superior a 5 minutos; e capacidade de comunicação com a estação de solo. Essas características foram utilizadas para a definição da arquitetura e a escolha dos componentes necessários para a montagem do VANT. Iniciando pela escolha do dispositivo responsável pela execução dos algoritmos de visão computacional, o qual é foco desse projeto, optou-se pelo uso do minicomputador Raspberry Pi (RPI) e da câmera desenvolvida especialmente para esse sistema, Raspberry PI camera. Esse equipamento é um computador completo, possuindo CPU com 700MHz, 512MB de memória RAM, GPU de 400MHz, saídas para conexão de periféricos através de GPIO (General Purpose Input-Output), baixo consumo enérgico, peso de 45g e capacidade de execução de sistema operacional Linux (UPTON, 2008). O RPI, a câmera e os softwares instalados formam um sistema, que neste trabalho é tratado como Módulo de Visão Computacional. A arquitetura escolhida para o VANT é a configuração com quatro motores colineares. A escolha dessa configuração é motivada pela maior disponibilidade de quadros e reduzido número de motores, em relação a opções como hexácopteros e octacópteros. De maneira geral, um VANT quadcóptero é composto por: uma estrutura (frame) no formato X ou + ; quatro motores; quatro hélices; um Piloto Automático (PA) com sensores inerciais, magnetômetro e barômetro; um receptor de GPS; um Rádio- Controle (RC) com receptor; dois módulos de telemetria para monitoramento remoto do voo; quatro controladores eletrônicos de velocidade (ESC, do inglês Electronic Speed Control) para os motores; uma placa para distribuição de energia; e uma bateria (3DROBOTICS, 2014). A Figura 1 ilustra de maneira esquemática a estrutura típica de construção de um quadcóptero. Nessa Figura, é possível identificar a presença dos componentes listados anteriormente e suas conexões. O PA escolhido para a construção do VANT é o Ardupilot Mega 2.5 (APM) (3DROBOTICS, 2014), por ser um sistema completo (inclui sensores inerciais), devido a seu baixo custo e ampla documentação disponível. Como ilustrado na Figura 1, verifica-se que o APM pode receber comandos de um receptor de RC ou de um módulo de telemetria. O receptor de RC fornece comandos de arfagem (pitch), guinada (yaw) e rolamento (roll) enviados a partir de um RC operado remotamente por um piloto. O módulo de telemetria recebe mensagens oriundas de outro módulo de telemetria instalado em um computador em solo. O módulo de telemetria e o computador em solo representam um sistema, denominado de Estação de Controle de Solo (ECS). Essa estação permite o recebimento dos dados do voo e o envio de comandos de controle mais sofisticados para a aeronave, como alteração do modo de voo, envios de pontos de navegação (waypoints), etc. Observa-se que na estrutura típica do quadcóptero não está contemplada a integração com o Módulo de Visão Computacional. A solução encontrada nesse trabalho para conectar o RPI ao APM, mantendo o envio de dados através do módulo de telemetria é apresentada na Figura 2. O RPI é conectado ao APM através de porta USB, enquanto o módulo de telemetria é conectado ao RPI através de conexão serial GPIO. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

104 104 Com essa alteração na arquitetura típica do VANT, torna-se possível a comunicação entre o RPI e o PA, permitindo a leitura de parâmetros de voo e o envio de mensagens ao APM de modo a produzir comandos equivalentes aos gerados pelo RC ou pela ECS. Para permitir que a comunicação entre o PA e a ECS, via módulos de telemetria, fosse mantida, foi utilizado o programa MAVProxy (TRIDGELL, 2015) no RPI. Esse programa faz a intermediação da comunicação entre o APM (USB) e o módulo de telemetria (GPIO). Além disso, o MAVProxy permite que outras aplicações recebam e/ou enviem, via conexão serial, TCP ou UDP, mensagens para o piloto automático. Esse programa funciona como um demulti/multiplexador no controle do fluxo de mensagens recebidas/enviadas entre o APM e demais dispositivos. Fig. 1. Estrutura típica de um VANT quadcóptero. Fig. 2. Integração do RPI à estrutura do VANT. Finalizada a definição da estrutura lógica do VANT, é necessário encontrar os parâmetros dos demais componentes necessários para a montagem da aeronave. Essa tarefa envolve a decisão sobre a potência dos motores, tamanho e inclinação das hélices, capacidade dos ESCs e da bateria e etc. Essas escolhas podem ser feitas de maneira empírica, a partir da experiência adquirida em outros projetos, ou pela utilização de ferramentas que simulem a dinâmica do VANT e forneçam parâmetros aproximados de voo. Essa última opção foi adotada nesse trabalho. A partir dos requisitos definidos anteriormente, foi utilizado o sistema computacional ecalc (MÜLLER, 2014) para a estimação dos parâmetros e escolha dos componentes para a confecção do VANT. O ecalc recebe como entrada valores como temperatura ambiente, altitude, tipo de bateria, potência e resistência dos motores, formato e tamanho das hélices e etc, e estima parâmetros como tempo de voo; potência mecânica e elétrica utilizada; corrente elétrica máxima; carga extra possível de ser carregada e etc. Através do exercício de alternar diferentes parâmetros de entrada no ecalc é possível encontrar configurações adequadas visando um determinado objetivo (transporte de carga, tempo de voo, custo, disponibilidade do componente e etc). Essa tarefa foi executada para determinar os componentes usados no VANT desse trabalho. A partir dos parâmetros encontrados, foram selecionados os seguintes componentes, considerando a disponibilidade no mercado: Frame (Tarot 650); ESC (30A firmware SimonK); Motores (QX-Motor QM KVA; Hélices (SlowFly - Tamanho 10 x4,5 ); Bateria (LiPO 11,1v, 5000 mah e 35C). Para os módulos de Telemetria foi utilizado o modelo RCTimer v mhz, compatível com o APM. 2.1 Montagem A montagem do VANT foi realizada utilizando como referência as instruções disponíveis em (APM Copter, 2014). Os principais cuidados que devem ser tomados Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

105 105 nessa etapa são quanto ao isolamento elétrico, à distribuição equilibrada de massa e ao posicionamento centralizado do APM. Além disso, é necessário que o APM e o GPS sejam mantidos afastados o máximo possível dos ESCs e motores, pois é conhecido que estes equipamentos geram interferência em equipamentos eletrônicos mais sensíveis. Após a montagem dos componentes do VANT, é necessária a configuração do APM e a calibração dos sensores. Para isso, utilizou-se o aplicativo Mission Planner v (OBORNE, 2014). Esse sistema é um software livre com finalidade de servir como ferramenta de suporte e monitoramento de Veículos Aéreos Não Tripulados de pequeno porte. Inicialmente, foi feita a carga do firmware Arducopter versão no APM. Na sequência, foi realizada a calibração do magnetômetro e dos sensores inerciais. Nessa etapa é necessário posicionar o VANT em posições pré-definidas para que o sistema encontre os desvios (off-sets) dos sensores. Outro tipo de ajuste a ser realizado é quanto à identificação do ruído produzido pelos motores e ESC aos sensores inerciais. Para isso, são coletados os valores dos sensores inerciais com o VANT parado enquanto se altera a aceleração dos motores. Por questões de segurança, esse procedimento é realizado sem a instalação das hélices. A última calibração realizada é quanto aos comandos do RC. Para isso são medidos os valores máximo e mínimo que cada canal do RC envia ao APM. 2.2 Testes Para analisar as respostas de hardware e software do VANT foram definidos três tipos de testes: 1) desempenho de comunicação; 2) teste pré-voo; e 3) teste de voo. No primeiro teste, foi avaliado o quanto o VANT pode se distanciar da ECS, sem que a comunicação seja perdida. Para esse teste, foi fixada a posição da ECS (Notebook com Mission Planner e módulo de telemetria) e preparado o VANT sem as hélices. A partir da posição da ECS, foi registrada a cada 10m de distância a potência do sinal de comunicação e o estado da conexão apresentados no Mission Planner. Este procedimento foi realizado 3 vezes para a extração de média. No segundo teste, o VANT foi avaliado em laboratório, tendo suas respostas registradas e falhas corrigidas. Neste teste, os motores foram ligados, foram conferidos os sentidos de rotação e as conexões físicas e de comunicação com a ECS. A partir do RC e da ECS, foram enviados comandos ao VANT e observadas as respostas dos motores. O terceiro teste trata-se da realização de voos com o VANT. Foram testados os principais modos de voo do APM: Stabilize (controlado via RC com auto-estabilização); Loiter (posição fixa com variação de altitude pelo RC) e Alt Hold (altitude fixa com navegação pelo RC). Para cada modo de voo foi feita a decolagem em modo Stabilize e alterado, quando o caso, para o outro modo em teste. Os resultados obtidos em cada um dos testes são apresentados na seção Resultados e Discussão A partir da entrada dos parâmetros do quadcóptero no ecalc, foram obtidos os parâmetros elétricos e de voo. Para as principais variáveis, essa ferramenta fornece saída para a situação de voo pairado (quando o VANT voa sem movimentar-se verticalmente, somente sustentando seu peso) e voo máximo (quando os motores estão em aceleração máxima). Para o caso do tempo de voo, também é fornecido o valor para voo variado, onde se considera uma média geométrica entre o voo pairado e o máximo (MÜLLER, 2014). A estimativa para o tempo de voo no modo variado é de 8,6 minutos, enquanto estima-se voo pairado de até 11,2 minutos e voo com aceleração máxima de até 4,3 minutos. A precisão desses e dos demais parâmetros encontrados é de aproximadamente 10%. Quanto ao motor, os valores encontrados em situação de aceleração máxima são: 17,48A de corrente, 10,33V de tensão e Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

106 106 potência elétrica de 180,5W. Nesta situação, a eficiência elétrica é de 92,5%, segundo o ecalc. O peso total medido foi de 1710g e o ecalc estima que o VANT suporte uma carga adicional de 966g. Essas características atendem, com folga, os requisitos definidos anteriormente e respeitam os limites dos componentes utilizados. Uma imagem do VANT montado neste trabalho pode ser observada na Figura 3. Fig. 3. VANT após a montagem completa. O resultado do teste de desempenho da comunicação é apresentado na Tabela 1. Nessa Tabela, a primeira linha apresenta as distâncias (Dist.) utilizadas para fazer as medições, a segunda linha apresenta os valores de potência de sinal (Pot.) observada no Mission Planner e a terceira linha apresenta se o software acusa sinal suficiente para a comunicação (Com.). Tab. 1. Resultados do teste de comunicação. Dist. 0m 10m 20m 30m 40m 50m Pot. 100% 100% 91% 56% 30% 20% Com. Sim Sim Sim Sim Não Não Observa-se que entre 30 e 40m o Mission Planner acusou perda de conexão, indicando a distância limite para a realização de voos. Dessa forma, a distância segura entre o VANT e a ECS é de 30m, de forma a manter o monitoramento da aeronave durante o voo. Os testes em laboratório permitiram a familiarização com os comandos do RC e do Mission Planner. Além disso, foi possível confirmar o sentido de rotação dos motores e as respostas dos motores às variações nos canais do RC. Confirmou-se que a integração do RPI entre módulo de telemetria e APM permite a comunicação da ECS com o PA. Foram realizados 5 voos de teste. Desse total, 3 resultaram em quedas que geraram danos ao VANT, sendo necessária a realização de reparo na estrutura (alinhamento e reaperto) e a reposição de algumas hélices quebradas. As causas das quedas foram variadas: instabilidade no modo loiter ou alt hold e limitação na distância de sinal. Além da avaliação do funcionamento da aeronave, durante os voos de testes foram feitas gravações de vídeos sobrevoando um heliponto. Os vídeos serão utilizados no desenvolvimento e validação dos algoritmos de visão computacional, que estão sendo desenvolvidos no contexto do projeto no qual esse trabalho se insere. A Figura 4 apresenta uma captura de um vídeo produzido em um dos testes de voo com o VANT. Nela, observa-se o heliponto na região central da imagem e, a sua direita, a sombra da aeronave. Fig. 4. Imagem de vídeo produzido com o VANT. 4. Conclusão Foi definida uma arquitetura para o VANT para pouso autônomo usando minicomputador integrado ao piloto automático e utilização do software MAVProxy para a intermediação da comunicação. A partir do software de cálculo de parâmetros de voo foi possível definir os componentes a serem empregados na montagem do VANT e a estimação dos parâmetros de voo. As variáveis encontradas atendem aos requisitos previstos quanto a tempo e carga adicional. A distância máxima prática observada (30m) está aquém da fornecida pelo fabricante do módulo de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

107 107 telemetria (aprox. 1600m), mas não representa um limitante para a realização de testes de pouso autônomo. Apesar disso, novos testes devem ser realizados para identificar o motivo da perda de sinal. Conclui-se que apesar de bastante difundido, a montagem de VANTs de pequeno porte comerciais não é uma tarefa trivial, pois requer o conhecimento do seu funcionamento, da calibração dos componentes e da realização de testes. Encontrar a configuração ideal é um desafio e, possivelmente, isso justifique a diferença de preço de um VANT pronto para uso com o custo gasto na montagem um a partir de projeto próprio. Agradecimentos Ao PIBIC/CNPq pela bolsa de iniciação científica, À divisão de Geointeligência do IEAv e ao Dr. Ruy de Castro pelos equipamentos emprestados para a realização de medidas. Referências SOUSA, Jéssica Dias de. Modelagem e identificação de um veículo aéreo não tripulado do tipo quadrirrotor f. Trabalho de conclusão de curso - Engenharia Eletrônica, Universidade de Brasília, Brasília. SANCHEZ-LOPEZ, J. L.; PESTANA, J.; SARIPALLI, S.; CAMPOY, P. An approach toward visual autonomous ship board landing of a VTOL UAV. Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 74, p , UPTON, E. E HALFACREE, G. Raspberry Pi User Guide. Wiley, pp. 248, DROBOTICS. APM Autopilot Suite. Disponível em: <http://ardupilot.com>. Acesso em: 14 de nov TRIDGELL, A. A UAV ground station software package for MAVLink based systems. Disponível em: <http://tridge.github.io/mavproxy> Acesso em: 25 de jan MÜLLER, M. Ecalc the most realiable RC Calculator on the Web. Disponível em: <http://ecalc.ch >. Acesso em 25 ago APM Copter. Assembly instructions. Disponível em: <http://copter.ardupilot.com/wiki/initialsetup/assembly-instructions>. Acesso em: 29 nov OBORNE, M. Mission Planner Ground Station. Disponível em: <http://planner.ardupilot.com>. Acesso em: 29 nov Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

108 108 PLATAFORMA DE TESTES DE SISTEMAS EMBARCADOS PARA PROCESSAMENTO DE IMAGENS EM TEMPO REAL V. S. Nunes 1*, A.C. Xavier 3, P. F. Silva Filho 2, D. Roos 2, E. H. Shiguemori 2 Projeto: PITER. 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. 3 Universidade Paulista UNIP, São José dos Campos SP. Resumo O processamento de imagens em tempo real e embarcado tem diversas aplicações em sensoriamento remoto. Com o desenvolvimento de tecnologias para processamento embarcado, surge a necessidade de realizar testes em laboratório antes de realizar experimentos operacionais, pois existem elementos que impedem a realização deste último, como chuva, iluminação, dentre outros. E também é necessário os testes em laboratório para se aperfeiçoar as técnicas usadas. Este trabalho apresenta a plataforma desenvolvida para testes de sistemas embarcados para processamento de imagens. Como caso de uso, é empregado um algoritmo para detecção de marcos que faz uso do algoritmo Oriented FAST and Rotated BRIEF (ORB) e triangulação. Palavras-chave: ORB, VANT, Sistema embarcado. 1. Introdução No projeto PITER têm sido desenvolvidas diversas técnicas de visão computacional para identificação automática de referências presentes no solo para uso na navegação autônoma de veículos aéreos não tripulados (VANT). Dentre as técnicas estudadas, destacam-se: integrações do histograma de gradientes, árvore de decisão, busca em cascata e redes neurais artificiais (Gonzalez e Woods, 2008; Duda, Hart e Stork, 2001). No IEAv, estas técnicas têm sido testadas em PCs ou notebooks, (Rebouças et al., 2013). No entanto, a aplicação requer que estes algoritmos sejam implementados em sistemas embarcados no VANT para processamento em tempo real. Para isso, surge a necessidade de realizar testes destes sistemas embarcados antes de serem colocados nos VANT, devido ao alto risco de queda ou acidentes (Kandhalu et al., 2009). Desta forma, o objetivo deste trabalho é apresentar uma plataforma de testes para sistemas embarcados antes de serem colocados nos VANTs. Com ela, alguns requisitos podem ser testados como, por exemplo, o processo de captação das imagens com uso de diferentes câmeras, realização de testes das diferentes técnicas implementadas no projeto PITER, em que se pode variar altura de voo e analisar o consumo de energia dos sistemas embarcados. 2. Metodologia Inicialmente, foi montada uma estrutura para testes de sistemas embarcados (Xavier e Shiguemori, 2015). A estrutura foi composta por uma câmera (Fig. 1), uma TV e uma estrutura metálica. Além disso, foram utilizados um PC e um computador embarcável. Fig. 1. Câmera Axis 213 Ptz (AXIS, 2015). O computador embarcável possui as especificações apresentadas na Tab. 1. Tab. 1. Especificações do sistema embarcado. Placa Mãe GENE-9310 Memória RAM 2 Gigabytes Processador Intel Core 2 Duo Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

109 109 vistas: lateral (Fig. 2); frontal (Fig. 3); e, superior (Fig. 4) (Xavier e Shiguemori, 2014). Em seguida, à esta estrutura foram conectados: câmera, o computador embarcável, o PC e a TV. Na Fig. 5 é ilustrada a estrutura montada. Fig. 2. Plataforma vista lateral. Fonte: (Xavier e Shiguemori., 2014). Fig. 3. Plataforma vista frontal. Fonte: (Xavier e Shiguemori., 2014). Fig. 4. Plataforma vista superior. Fonte: (Xavier e Shiguemori, 2014). O objetivo da TV, ligada ao PC, é apresentar os vídeos captados pelo VANT. A câmera apoiada na estrutura, simula o sistema embarcado. O computador embarcável solicita a foto da câmera e processa o algoritmo de processamento de imagens desenvolvido por (Rodrigues et al., 2013) e (Silva Filho et al., 2014). Para a estrutura metálica, foi elaborado projeto com Fig. 5. Plataforma montada para o trabalho. Com esta plataforma é possível simular o sistema embarcado para processamento de imagens aéreas. Além disso, é possível variar a altura de voo e testar intervalos de solicitações das imagens para o sistema embarcado. Para a realização de testes da plataforma, foram empregadas imagens obtidas por um VANT. Além disso, foram empregados algoritmos de processamento de imagens, baseados no ORB e triangulação (Rodrigues et al., 2013 e Silva Filho et al., 2014). A obtenção das imagens foi feita com uso de um hexacóptero, que possui uma câmera HD acoplada (Eller et al., 2014). O hexacóptero é mostrado na Fig. 6. Para testes do sistema de processamento de imagens embarcado, foi empregado o algoritmo proposto por Rodrigues et al., (2013) e Silva Filho et al., (2014). Neste algoritmo, inicialmente, é necessária a seleção de marcos a serem buscados pelo VANT. Estes marcos devem ser bem representativos como rotatórias, ruas, entroncamentos. Na Fig. 8, é ilustrado um marco selecionado, uma construção no meio de um gramado. Na Fig. 7, é apresentado um exemplo da imagem obtida pelo VANT. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

110 110 Na Fig. 9 são ilustradas as imagens originais e as imagens obtidas na plataforma de testes. Observa-se que, inicialmente, as imagens possuem variações na tonalidade e contraste: Fig. 9 (a) e Fig. 9(b); e Fig. 9 (c) e Fig. 9 (d). Fig. 6. Hexacóptero usado na obtenção das imagens. Fonte: (Eller et al., 2014). (a) (b) Fig. 7. Imagem obtida pelo VANT. Fonte: (Eller et al., 2014). Fig. 8. Marco utilizado em um dos experimentos. Para a realização dos testes, os vídeos captados pelo VANT são apresentados na TV com uso do PC. O sistema embarcado, posicionado na estrutura, capta as imagens com uso da câmera. As imagens são obtidas com uma resolução de 704 x 578 (pixels). (c) (d) Fig. 9. Videografia captada pela câmera (a e c) e videografia captada pelo VANT (b e d). O sistema embarcado faz o processamento destas imagens com uso de técnicas desenvolvidas no projeto PITER. Nesta etapa foi empregada a biblioteca de visão computacional e processamento de imagens OpenCV (Bradski e Kaehler, 2008), escrita em C e C++ (Intel, 2001). Para realizar os testes, utilizou-se o compilador G++ do Linux, sendo o algoritmo executado no terminal de linha de comando do próprio sistema operacional. Por fim, foram realizados experimentos para análise de desempenho da plataforma de testes e das técnicas de processamento de imagens. 3. Resultados e Discussão Numa etapa inicial foram necessárias realizações de ajustes de brilho e contraste da TV, pois estas variações podem comprometer o desempenho do algoritmo de processamento de imagens. O primeiro teste foi feito com configurações de brilho e contraste padrões para a televisão que, numa escala de 0 a 100, corresponderam a 50 e 50, respectivamente. Executando o vídeo por três vezes não houve verdadeiro positivo, que acontece quando se reconhece o marco escolhido (VP). O segundo teste teve alteração na configuração de brilho e contraste. Desta Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

111 111 vez, eles assumiram valores de 100 e 100, respectivamente. Novamente, o vídeo foi executado três vezes, entretanto não se obteve VP. Um terceiro teste foi realizado, porém com brilho assumindo um valor de 70 e o contraste 100. Neste teste, assim como nos demais, não houve VP. Após ajustes na TV, foram realizados experimentos para captação de marcos com uso da plataforma de testes, como é apresentado na Fig. 10 e na Fig. 11, os marcos são encontrados com uso da plataforma desenvolvida. Vale ressaltar que as figuras a seguir representam momentos em que os marcos foram reconhecidos. O número presente na figura é um contador. Desta forma, toda vez que um objeto é reconhecido, seja ele um verdadeiro positivo ou falso positivo (objeto reconhecido por engano), o contador é incrementado. Logo, é importante observar que este contador não representa com fidelidade o número correto de verdadeiros positivo. 4. Conclusões Este trabalho teve o objetivo de testar e simular um sistema embarcado em VANT para processamento de imagens. Para isso, foi desenvolvida uma plataforma em que se pudesse simular o funcionamento de um VANT e assim, testar o funcionamento do sistema embarcado e aperfeiçoar as técnicas empregadas. A plataforma desenvolvida facilita a realização dos experimentos dos sistemas embarcados. Ela possibilita redução de custos, visto que o uso dos VANTs pode ser diminuído durante a realização dos testes dos sistemas embarcados. Além disso, é possível realizar o mesmo experimento diversas vezes a qualquer hora do dia. A plataforma é útil para sistemas embarcados, pois além de simular o funcionamento do VANT, é possível testar e avaliar outros fatores como a autonomia da bateria do VANT. Além disso, a estrutura é útil para se incrementar e aperfeiçoar as técnicas empregadas. Fig. 10. Identificação do marco. Fig. 11. Identificação do marco. Um dos fatores que podem levar ao não reconhecimento usando a plataforma é a baixa resolução da imagem analisada, visto que ela passa pelas lentes de duas câmeras, além de sofrer alterações devido à exibição na tela. Os testes seguindo estas configurações irão contribuir para o projeto PITER, o que acarreta em contribuições no desenvolvimento de tecnologias na área de processamento digital de imagens (Gonzales e Woods, 2008). Agradecimentos Ao CNPq pelo apoio prestado por meio da bolsa. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

112 112 Referências AXIS Comunication Disponível em <http://www.axis.com/pt/products/cam_213/> Acesso emfev BRADSKI, G.; KAEHLER, A. Learning OpenCV: Computer Vision with the OpenCV Library. 1ed. O Reilly Media, Inc., 2008, Sebastopol. DUDA, R. O.; HART, P. E.; STORK, D. G.; Pattern Classification, 2 ed., Ann Arbir: Wiley, V.1, 654p. ELLER, Q. C.; REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Emprego de VANTS de baixo custo e código aberto para experimentos de navegação autônoma por imagens. In : SIMPÓSIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS, 3, 2014, São José dos Campos. IEAv. Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados, IEAv, ago. 2014, vol 1, p GONZALES, R. C.; WOODS, R. E. Digital Image Processing. 3.ed. Person Education, Inc., INTEL CORPORATION. Open Source Computer Vision Library Reference Manual, Disponível em: <http://www.cs.unc.edu/research/stc/faqs/opencv /OpenCVReferenceManual.pdf>. Acesso em: 15 mai KANDHALU, A.; ROWE, A.; RAJKUMAR, R.; CHINGCHUN HUANG; CHAO-CHUN YEH. Real-Ti me Video Surveillance over IEEE Mesh Networks. 15th IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium, p REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; PENA, R. A.; SHIGUEMORI, E. H. Uso do descritor ORB para localização de objetos móveis em imagens obtidas por VANT. In: SIMPÓSIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS, 2, 2013, São José dos Campos. IEAv. Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados, IEAv, ago. 2013, vol. 1, p RODRIGUES, M. G. M.; FRAGA, E. M.; SHIGUEMORI, E. H. Reconhecimento de padrões em imagens aéreas. In: SIMPÓSIO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS, 2, 2013, São José dos Campos. IEAv. Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados, IEAv, ago. 2013, vol. 1, p RUBLEE, E. ; RABAUD, V.; KONOLIGE K.; BRASKI, G. ORB: An efficiente alternative to SIFT or SURF. In: IEEE INTERNACIONAL CONFERENCE IN COMPUTER VISION (ICCV), 2011, p SILVA FILHO, P. F. ; SAOTOME, O.; RODRIGUES, M.; SHIGUEMORI, E., H; Fuzzy- Basedo Automatic Landmark Recognition in Aerial Images Using ORB for Aerial Auto-Localization. In: INTERNATIOANL SYMPOSIUM ON VISUAL COMPUTING, 2014, Las Vegas, Nevada, USA. Proceedings of 10 th International Symposium on Visual Computing, XAVIER, A. C; SHIGUEMORI, E., H.; Desenvolvimento de Plataforma de testes para videografia aérea, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

113 113 PREPARAÇÃO DE EXPERIMENTOS E VÍDEOS DO LABORATÓRIO INTERATIVO DE CIÊNCIAS (LIC) A TÉCNICA SCHLIEREN L. M. Vaisset 1*, V. H. Baggio-Scheid 2 Projeto: Laboratório Interativo de Ciências. 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo O Laboratório Interativo de Ciências (LIC) é uma entidade gerida pelo trabalho voluntário de pesquisadores do Instituto de Estudos Avançados (IEAv), visando a disseminação e popularização de ciência e tecnologia. Neste artigo são apresentados os resultados dos trabalhos para a elaboração de vídeos sobre a técnica schlieren, relacionada à área de óptica. Seguindo a proposta do LIC, de produzir vídeos didáticos de qualidade, o trabalho apresenta os conceitos básicos dos fenômenos físicos envolvidos na técnica, o contexto histórico, um esquema da montagem experimental e experimentos realizados no laboratório. Palavras-chave: Schlieren, Laboratório interativo de ciência, Experimentos de física, Óptica, Vídeos didáticos. 1. Introdução Esse trabalho concentrou-se na elaboração de vídeos sobre a técnica schlieren. Essa técnica permite visualizar objetos invisíveis a olho nu, como movimentos de fluidos, correntes de ar quente, vapores, etc. O objeto que se quer observar é colocado na região de um feixe de luz colimado, obtido por meio de duas lentes côncavas, ou dois espelhos côncavos. Uma mudança no índice de refração do meio, no caso o ar, produzida por um jato de ar, vapores ou um objeto aquecido, provoca um desvio dos raios, que quando projetados em uma tela mostram a imagem térmica do objeto. Para melhorar o contraste da imagem, o feixe de luz é focalizado por meio de uma lente ou um espelho côncavo e no foco é introduzida uma faca para obstruir parte da luz. Essa técnica é denominada de schlieren. Os primeiros estudos da técnica foram feitos em 1665 pelo físico Robert Hooke com o intuito de observar falhas em lentes [4]. Mais tarde, em meados do século XIX, Jean Bernard Léon Focault e August Toepler contribuíram para o estabeleci-mento dessa técnica, na forma como é conhecida hoje [5, 6]. 2. Metodologia A primeira parte desse trabalho consistiu na pesquisa bibliográfica sobre o assunto. Em seguida iniciamos a elaboração do roteiro do vídeo e do experimento, considerando os materiais disponíveis no LIC. 2.1 O Experimento schlieren O experimento utilizou um par de espelhos convexos de 300 mm de diâmetro e distância focal de 600 mm. Foi utilizado um led branco como fonte de luz. Os dispositivos ópticos foram montados em uma bancada, conforme é mostrado na Figura 1. a b d Fig. 1. Montagem do experimento schlieren. a- fonte de luz; b- espelhos côncavos; c- faca; d- anteparo. Para captura das imagens foram utilizadas duas câmaras, uma para filmar toda a bancada e outra para filmar as imagens schlieren projetadas na tela. Neste experimento foram obtidas imagens da chama de uma lamparina, de vapores emanados da acetona, das correntes de ar c b Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

114 114 produzidas por uma pistola de ar quente e das correntes de convecção do ar aquecido por um ferro de solda, conforme pode ser visto na Figura 2. Para melhorar a dinâmica e a visualização do experimento, as imagens obtidas pelas duas câmaras foram editadas no software movie maker [1], de forma a intercalar as imagens dos procedimentos experimentais com as dos objetos projetadas na tela. efeitos que podem ser observados no dia-adia, relacionados com os fenômenos envolvidos na técnica schlieren como, por exemplo, o piscar da luz das estrelas. As estrelas piscam porque os raios de luz sofrem pequenos desvios ao atravessarem a atmosfera. Este efeito está relacionado com variações no índice de refração do ar. Esta grandeza é definida como sendo a razão entre a velocidade da luz no vácuo, c 0, e a velocidade da luz no meio, c, ou seja,. a c b d Fig. 2. Imagens obtidas no experimento schlieren. a- acetona; b- lamparina; c- ferro de solda; d- pistola de ar quente. Foi realizado também um vídeo da montagem do experimento onde são mostrados todos os componentes ópticos utilizados e como eles devem ser posicionados para a obtenção das imagens schlieren. Ainda sobre o experimento, utilizamos uma câmera de alta velocidade e definição para obtenção de imagens de alta qualidade, que também serão apresentadas no vídeo (Figura 3). Fig. 3. Imagem schlieren de alta definição da chama de uma lamparina. 2.2 Roteiro Na elaboração do roteiro, a abordagem é tal que os conceitos básicos da técnica são introduzidos em uma sequência natural e didática. Inicialmente, são apresentados Como a velocidade da luz em todos os meios materiais é sempre menor que a velocidade da luz no vácuo, n é sempre igual ou maior que 1. Valores desse índice, para diversos materiais conhecidos, são apresentados no vídeo. Uma vez introduzido o conceito do índice de refração, mostramos como a variação dessa grandeza também afeta a direção de propagação de um feixe de luz. Isto sempre ocorre quando a luz passa de um meio para outro. A relação entre o desvio do feixe de luz e índice de refração dos meios é descrita pela lei de Snell-Descartes [2]: onde, os índices 1 e 2 se referem aos diferentes meios e é o ângulo entre a direção de propagação do feixe de luz e a normal à superfície. Exemplos do desvio sofrido pela luz são apresentados para diversos meios materiais. Coloca-se então a questão de como tudo isso está relacionado com a técnica schlieren, que é genericamente definida com sendo heterogeneidades óptica em materiais transparentes, induzidas por variações ou perturbações no índice de refração [3]. É uma palavra de origem alemã que significa listra, risca ou camada. Nesse ponto, é feita uma breve descrição do contexto histórico, mostrando o trabalho pioneiro de pesquisadores que contribuíram para o desenvolvimento da técnica [4,5,6]. O primeiro experimento schlieren conhecido é atribuído a Robert Hooke [4], que utilizou apenas duas velas e uma lente, conforme pode ser visto na Figura 4. Este experimento, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

115 115 foi realizado com o propósito de se avaliar a qualidade das lentes. Fig. 4. Experimento schlieren pioneiro de Robert Hooke. Finalizando o roteiro, é apresentado o esquema de uma montagem típica da técnica schlieren, onde os componentes ópticos são introduzidos em uma sequência progressiva, sendo primeiramente introduzida a fonte de luz, depois as lentes côncavas, seguidos da faca e do anteparo, de forma que o efeito de cada um deles pode ser compreendido (Figura 5). Por último são apresentados os vídeos dos experimentos realizados. a b b Fig. 5. Esquema do experimento schlieren, sendo: a- fonte de luz; b- lentes côncavas; c- faca; d- anteparo. 3. Resultados e Discussão Como resultado desse trabalho foi feito um vídeo sobre a técnica schlieren. Neste vídeo são apresentados os conceitos básicos da técnica, o contexto histórico, uma descrição detalhada da montagem experimental, onde a influência de cada componente óptico é analisada e os vídeos dos experimentos realizados no laboratório. Nestes experimentos foram obtidas imagens da chama de uma lamparina, de vapores emanados da acetona, das correntes de ar produzidas por uma pistola de ar quente e das correntes de convecção do ar aquecido por um ferro de solda, conforme apresentado na figura 2. Por meio de outra montagem experimental, utilizando uma câmara de alta c d velocidade, foram obtidas imagens em alta definição desses mesmos objetos, que também serão apresentas no vídeo (vide figura 3). O vídeo introduz de forma clara e didática conceitos físicos relacionados com a técnica schlieren, de maneira que leigos, em especial, alunos do nível médio, possam entender e reproduzir o experimento. 4. Conclusões Com este trabalho, realizamos outro vídeo que, no âmbito das atividades de disseminação de ciência e tecnologia do LIC, também será publicado em sua página no YouTube [7], para ampla divulgação na internet. As montagens experimentais e o vídeo dos experimentos foram realizados rapidamente. Entretanto, os trabalhos de edição, envolvendo as explicações dos conceitos dos fenômenos físicos relacionados à técnica e a descrição dos experimentos têm se mostrado muito exigentes. Não é fácil introduzir conceitos e fenômenos físicos de uma forma simples, clara e didática. Outro aspecto, digno de menção, é o trabalho envolvido no desenvolvimento de animações, para dar mais dinâmica e clareza à apresentação. Esta atividade também tem demandado um grande esforço. Esperamos com esse trabalho contribuir para a motivação de jovens alunos para as áreas de ciência e tecnologia. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pelo suporte financeiro (bolsa PIBIC e editais MCT/SECIS/CNPq n o 07/2003 e MCT/CNPq 12/2006), ao IEAv pela oportunidade de execução do projeto e a todos que contribuíram com sua realização. Referências [1] Disponível em <https://www.microsoft.com>. Acesso em 11 de junho de [2] D.C. Giancoli, Physics for Scientists & Engineers, Prentice Hall, [3] G.S. Settles. Schlieren and Shadowgraph techniques. Springer. 388 f. Primeira Edição. Estados Unidos. (2001). [4] Rienitz, J. Schlieren experiment 300 years ago. Nature, 254(5498): , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

116 116 [5] Foucault, L. Recueil des travaux scientifiques de Leon Foucault. ed. C. M. Gariel. Gauthier-Villars, Paris, pp , [6] Toepler, A. Optischen Studien nach der Methode der Schlierenbeobachtung. Poggendorfs Annalen der Physik und Chemie, 131:33-55, [7] Disponível em:< https://www.youtube.com/channel/uclkw_zknmoh Wu7QMkwLPiAA>. Acesso em: 14 de maio de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

117 117 PROCESSAMENTO DE COMPÓSITOS CERÂMICOS À BASE DE FERRITAS R. S. Xavier 1,2*, M.S. Amarante 2, G. Vasconcelos 3, L. A. Genova 4, W. Alves 5, V. L. O. de Brito 2* 1 Universidade Federal de São Paulo Bacharel em Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. 4 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares São Paulo SP. 5 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Mecânica - São José dos Campos SP. *[rosana.colaborador, Resumo O objetivo deste trabalho foi o dar continuidade a estudos anteriores sobre o processamento de compósitos cerâmicos magnetoelétricos à base de ferrita e BaTiO 3. Neste trabalho, foram realizados testes iniciais do processamento de filmes de ferrita e BaTiO 3 pelo método a laser e a produção/caracterização microestrutural de compósitos particulados utilizando ferrita de Ni-Co e BaTiO 3. Palavras-chave: Cerâmica, Compósitos magnetoelétricos, Processamento à laser. 1. Introdução Compósitos Magnetoelétricos (ME) combinam fases magnetostrictivas e piezoelétricas, possuem a propriedade de gerar tensões elétricas na presença de campos magnéticos ou de tensões mecânicas, podendo ser aplicados em diversos tipos de sensores, como os de campo magnético para aplicações aeroespaciais (Fetisov, 2006), e em redes de sensores sem fio (Priya, 2009). Em trabalhos anteriores têm sido estudados compósitos ME cerâmicos constituídos de CoFe 2 O 4 e BaTiO 3, estudando-se a interação entre os dois materiais em compósitos com diferentes tipos de arranjos de fases (Xavier, 2014). Neste trabalho foram estudados compósitos ME, constituídos de ferrita Ni- Co (Ni 0,9 Co 0,1 Fe 2 O 4 ) e BaTiO 3. A ferrita Ni- Co foi selecionada devido à sua alta sensibilidade magnetoelástica. Um outro objetivo deste trabalho foi realizar testes iniciais para a produção de um filme de ferrita de cobalto (CoFe 2 O 4 ) em substrato de titanato de bário (BaTiO 3 ), por meio de sinterização a laser. 2. Metodologia 2.1 Processamento do filme utilizando método à laser. A parte experimental foi dividida em duas etapas: preparação e aplicação de uma solução absorvedora da radiação incidente a partir de ferrita de cobalto diluída em álcool etílico e carboximetilcelulose (CMC) sobre o substrato de BaTiO 3 e outra etapa foi a irradiação da superfície recoberta com feixe de laser de CO 2. O material particulado utilizado foi a ferrita de cobalto com tamanho médio de partículas da ordem de 10 μm, diluídos em álcool etílico em um moinho excêntrico por 24h e calcinado a 900ºC/4h. Foi adicionado ao pó de ferrita calcinado o CMC na proporção de 1% da massa de ferrita de cobalto e álcool etílico, para homogeneização da mistura, a solução foi agitada em um moinho de bolas por 30 min. O BaTiO 3 foi compactado e sinterizado a 1300ºC/4h. Para a produção do filme, o pó da ferrita foi depositado no subtrato de BaTiO 3 com o auxílio de uma pistola pneumática, Fig. 1. O laser utilizado como fonte de radiação para o recobrimento superficial do BaTiO 3 foi um laser de CO 2, contínuo (CW), potência de saída igual a 125W e diâmetro do feixe de 200 μm, marca Synrad e modelo J48. A Fig. 2 apresenta o momento da sinterização pelo método a laser, no processo de irradiação o feixe de laser movimenta-se (com velocidade controlada) sobre a superfície da amostra, gerando trilhas de largura e espessura controladas (2x8mm 2 ). A velocidade de descolamento do feixe sobre a superfície do BaTiO 3 foi no intervalo de 50 e 600 mm/s. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

118 118 área na qual o laser incidiu com uma combinação específica de parâmetros. Mesmo com a variação de parâmetros não ocorreu adesão da ferrita, indicando que o BaTiO 3 não absorveu o feixe de laser. Titanato de Bário Fig.1. Pastilha de BaTiO 3 passando por deposição de pó de ferrita. Fig. 2. Material sendo sinterizado pelo laser de CO Processamento do compósito magnetoelétrico (ME). As matérias primas para a fabricação da ferrita (NiO, Co 3 O 4 e Fe 2 O 3 ) foram moídas por 5 h. A mistura foi calcinada e moída novamente. Em seguida, o pó da ferrita foi misturado ao do BaTiO 3, seguindo uma proporção em mol de 15% e 85%, respectivamente. O tempo de moagem foi de 5h. A mistura foi compactada no formato de pastilhas que foram sinterizadas a 900ºC/4h. As pastilhas sinterizadas foram polidas para observação da microestrutura. As análises microestruturais das pastilhas fabricadas estão em andamento, onde serão obtidos resultados por meio de difração de raios-x, microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura com recursos de análises da espectroscopia de energia dispersiva. Estão sendo realizadas análises térmicas por dilatometria em amostras de ferrita Ni-Co e de BaTiO Resultados e Discussão Através do controle visual foi observado que não ocorreu a adesão do filme de ferrita de cobalto no substrato de BaTiO 3. Cada retângulo branco na Fig.3 representa uma Ferrita de Cobalto depositado Fig. 3. Substrato de titanato de bário após a sinterização à laser. Estão sendo verificados outros métodos de processamento para melhorar a adesão do filme. 4. Conclusões Através do primeiro teste utilizando a sinterização a laser, não foi possível obter uma boa adesão do filme da ferrita ao substrato de BaTiO 3 em nenhuma das condições de teste. Agradecimentos Ao CNPq (Processos: / e /2014-3), à EFO e ao doutorando Leonardo Violim Lemos (ITA). Referências FETISOV, Y. K.; BUSH, A. A.; KAMENTSEV, K. E.; OSTASHCHENKO, Y.; SRINIVASAN, G. Ferrite-piezoelectric multilayers for magnetic field sensors. IEEE Sensors Journal, v. 6, p , PRIYA, S.; RYU, J.; PARK C. S.; OLIVER, J.; CHOI, J. J.; PARK, D. S. Sensors, v.9, p , XAVIER, R.S.; BRITO, V. L. O.; MACHADO, J. P. B. Processamento e sinterização de um compósito cerâmico de CoFe 2 O 4 -BaTiO 4. Associação Brasileira de Metalurgia, Materiais e Mineração. Anais do 69º Congresso Anual da ABM Internacional, São Paulo, Disponível em: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

119 119 PROCESSAMENTO DE IMAGENS PARA RECONHECIMENTO AUTOMÁTICO DE HELIPONTOS N. G. Lacerda 1*, D. Geraldo 2, L. H. M. Dias 1, M. R. C. Aquino 2, M. E. L. Honorato 1, V. C. F. Gomes 2, F. L. L. Medeiros 2, Q. Eller 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo Técnicas de visão computacional vêm sendo utilizadas como um meio de auxiliar o pouso autônomo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) do tipo Vertical Take- Off and Landing (VTOL) em helipontos. Tais técnicas de visão computacional são baseadas na detecção de características de forma do heliponto, que sejam invariantes à rotação, à translação e à escala do heliponto nas imagens processadas. Um dos requisitos para a extração de características de forma é a identificação das bordas e de extremidades do heliponto. As bordas são os contornos das estruturas do heliponto nas imagens capturadas pela câmera do VANT. As extremidades são as regiões das bordas que formam ângulos mais acentuados/destacados. Deste modo, o objetivo deste trabalho é a aplicação de duas técnicas de processamento de imagens para a extração automática de bordas e de extremidades de helipontos em imagens obtidas por VANTs do tipo VTOL. Palavras-chave: VANT VTOL, POUSO AUTÔNOMO, PROCESSAMENTO DE IMAGENS, DETECÇÃO DE HELIPONTO. 1. Introdução O pouso autônomo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) do tipo Vertical Take-Off and Landing (VTOL) em helipontos consiste em um problema complexo devido à existência de um erro (e p ) significativo entre a posição real de um heliponto e a posição do heliponto estimada pelo sistema de navegação do VANT, que é baseado na fusão entre dados obtidos por um receptor de Global Positioning System (GPS), sensores inerciais, magnetômetro e barômetro. Uma solução para este problema é a utilização de técnicas de visão computacional para o reconhecimento automático de helipontos em imagens obtidas por uma câmera instalada no VANT [Sanchez-Lopez et al. 2014][Lee et al. 2014], como apresentada na Figura 1. Através das informações (posição, orientação e tamanho na imagem) do heliponto detectado em uma imagem, algumas informações de voo (altura, distância e orientação) podem ser estimadas para auxiliar o sistema de pouso autônomo do VANT. Fig. 1. Esquema que apresenta o erro entre posição estimada pelo VANT e a posição real do heliponto. Algumas técnicas de visão computacional [Davies 2005] serão utilizadas para detectar um heliponto em imagens obtidas por uma câmera instalada em um VANT do tipo VTOL, que está sendo montado na divisão de Geointeligência (EGI) do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). A câmera será instalada na estrutura do veículo de forma a permitir visada nadir, como apresentado no exemplo da Figura 1. A visada nadir é obtida com a câmera apontada para baixo, com seu eixo longitudinal descrevendo -90 graus de arfagem e zero grau de rolamento. Tais técnicas de visão computacional são baseadas na detecção de características de forma do heliponto, que sejam invariantes à rotação, à translação e à escala do heliponto nas imagens processadas. Um dos requisitos para a extração de características de forma é a identificação das Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

120 120 bordas e de extremidades do heliponto. As bordas são os contornos das estruturas do heliponto nas imagens capturadas pela câmera do VANT. As extremidades são as regiões das bordas que formam ângulos mais acentuados/destacados. Deste modo, o objetivo deste trabalho é a aplicação de duas técnicas de processamento de imagens para a extração automática de bordas e de extremidades de helipontos em imagens obtidas por VANTs do tipo VTOL. A Seção 2 deste relatório descreve a técnica de extração de bordas denominada filtro de Canny, e também descreve uma técnica para extração de extremidades. A Seção 3 apresenta resultados da aplicação do filtro de Canny e resultados da aplicação da técnica de extração de extremidades em imagens obtidas através de um vídeo do voo de um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) do tipo hexacóptero. Na Seção 4 são apresentadas algumas observações sobre o projeto em desenvolvimento. 2. Metodologia As técnicas de processamento de imagens estudadas neste trabalho são o filtro de Canny [Canny 1986] e o detector de extremidades de bordas proposto em [He e Yung 2014] Filtro de Canny O filtro de Canny, proposto em [Canny 1986], permite a detecção de um conjunto de bordas em uma imagem através dos níveis de contraste entre regiões da imagem. As bordas são as regiões da imagem que apresentam maior contraste, isto é variação da intensidade dos pixels. O funcionamento do filtro de Canny é dividido em quatro principais etapas. A primeira etapa consiste na eliminação de bordas suaves na imagem através da aplicação de um filtro gaussiano. Nesta fase, as bordas suaves são as regiões com baixo nível de contraste. A segunda etapa consiste em determinar todas as bordas da imagem filtrada na etapa anterior, através da aplicação de gradientes de intensidade na imagem. Na terceira etapa, as bordas sofrem um processo de suavização. Este processo consiste: na detecção e preservação de um pixel pivô, que corresponde ao pixel de borda com maior nível de contraste de uma região da imagem; e na eliminação de todo pixel de borda desta região com nível de contraste inferior ao nível de contraste do pixel pivô. A quarta etapa é o processo de eliminação: de todo pixel de borda com nível de contraste menor que um limiar inferior ( l i ); e de todo pixel de borda com nível de contraste maior ou igual a l i e menor ao limiar superior ( l s ), e que não esteja diretamente conectado a um pixel com nível de contraste maior ou igual a l s Detector de Extremidades O detector de extremidades de bordas proposto em [He e Yung 2014] consiste em três principais etapas. A primeira etapa corresponde ao cálculo da curvatura de cada ponto das bordas da imagem. A curvatura é definida por K u, xu g u, yu g u, xu g u, yu g u, 2 xu g u, yu g u, (1) Em que: u é um ponto de uma borda; x u e y u são as componentes do ponto u ; é o operador convolução; g u, é uma função gaussiana com desvio padrão ; e g u, e g u, são a derivada primeira e a derivada segunda de g u,, respectivamente. A segunda etapa é a remoção de pontos com curvatura inferior a um limiar adaptativo de curvatura local. Cada ponto i da vizinhança de um ponto u é eliminado, se sua curvatura K i, for inferior ao limiar adaptativo definido em u. Este limiar é calculado por u L1 1 Tu CK C Ki, (2) L L i ul Em que: K é a curvatura média da região vizinha da posição u e delimitada por u L 2 e u L1 ; e C é um coeficiente para eliminação. Neste trabalho, foi usado C 1.5, como indicado em [He e Yung 2014]. 2 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

121 121 A terceira etapa consiste na utilização de informação sobre os ângulos formados pelos pontos remanescentes da etapa anterior. O ângulo u de um ponto u é o ângulo formado pelos segmentos de reta uu ' e uu '', em que u ' e u '' são pontos adjacentes de u, também remanescentes da etapa anterior. Assim, todo ponto u com ângulo o o 160 u 200 é eliminado. 3. Resultados e Discussão Esta seção descreve os resultados da aplicação do filtro de Canny e do detector de extremidades de bordas. Para a aplicação das duas técnicas foi utilizada a toolbox de processamento de imagens do ambiente de computação numérica e de programação denominado Matlab Aplicação do Filtro de Canny Uma das dificuldades no processo de reconhecimento automático de helipontos por um VANT do tipo Vertical Take-off and Landing (VTOL) é a presença de ruídos na imagem, o que dificulta a visualização e reconhecimento do heliponto. No contexto deste trabalho, os ruídos são regiões com significativo valor de contraste, mas que não pertencem à forma ou estrutura do heliponto. O filtro de Canny é utilizado para detectar as bordas do heliponto, realçando tais bordas através da diminuição do nível de ruído das imagens. Este processo de redução de ruídos facilitará o processo final de reconhecimento automático de helipontos, que possivelmente será objetivo de outro trabalho de iniciação científica. Como apresentado na Figura 2, o processo de realçar as bordas do heliponto consiste na identificação das bordas dos quatro retângulos brancos que definem o heliponto. A Figura 2 corresponde a uma imagem (frame) de um vídeo utilizado para os experimentos deste trabalho. O vídeo do voo foi obtido com um Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) do tipo hexacóptero. Fig. 2. Quatro retângulos brancos que definem a estrutura do heliponto. Os resultados da aplicação do filtro de Canny no processo de determinação das bordas do heliponto são apresentados na Figura 3. Nos experimentos realizados, foram testados diferentes valores para os parâmetros desvio padrão, limiar mínimo e limiar máximo do filtro de Canny. A alteração destes parâmetros permitiu o controle do aumento ou da redução de ruídos nas imagens. Através dos resultados obtidos, verificouse que o aumento do desvio padrão gerou uma diminuição significativa do nível de ruído. Entretanto, o aumento deste parâmetro também gerou uma expressiva deformação geométrica das bordas do heliponto. Como apresentado na Figura 3, o valor 6 para o desvio padrão permitiu uma redução significativa dos ruídos, mas com expressiva deformação geométrica das bordas do heliponto. Mantendo-se o valor 6 para o desvio padrão, pode-se observar que o aumento do limiar superior do filtro de Canny permitiu a eliminação de ruídos/bordas isoladas com intensidade de contraste inferior ao limiar superior. Há preservação das bordas com intensidade de contraste entre o limiar inferior e o limiar superior, desde que tais bordas sejam conectadas a bordas com intensidade de contraste superior ao limiar superior. Como pode ser observado, o melhor resultado é aquele apresentado na Figura 3h, pois as únicas bordas detectadas são as bordas do heliponto e há pouca deformação geométrica destas bordas. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

122 122 (a) (c) (e) (b) (d) (g) (h) Fig. 3. Alguns resultados obtidos com a aplicação do filtro de Canny: (a) desvio padrão igual a 0.1, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.1; (b) desvio padrão igual a 1.0, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.1; (c) desvio padrão igual a 3.0, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.1; (d) desvio padrão igual a 6.0, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.1; (e) desvio padrão igual a 6.0, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.2; (f) desvio padrão igual a 6.0, limiar inferior igual a 0.0 e limiar superior igual a 0.5; (G) desvio padrão igual a 6.0, limiar inferior igual a 0.4 e limiar superior igual a 0.5; e (h) desvio padrão igual a 6.0, limiar inferior igual a 0.7 e limiar superior igual a Aplicação do Detector de Extremidades A implementação computacional do método de detecção de extremidades (He e Yung 2014) usada neste trabalho realiza, inicialmente, a aplicação do filtro de Canny para a detecção de bordas. Nesta implementação, a configuração do filtro de Canny apresenta pouca distorção geométrica do heliponto, o que é importante para o processo de detecção de extremidades. (f) Deste modo, as bordas resultantes da melhor configuração (limiar inferior igual a 0.7, limiar superior igual a 0.9, e desvio padrão igual a 6) obtida na seção anterior não foram utilizadas diretamente pelo detector de extremidades. As bordas resultantes foram usadas apenas para identificar as bordas do heliponto e para definir uma envoltória em torno destas bordas. A linha inferior da envoltória é a subtração da linha inferior da borda obtida pela melhor configuração por um delta igual a 20. A linha superior da envoltória é o somatório da linha superior da borda obtida pela melhor configuração com um delta igual a 20. A coluna inferior e a coluna superior da envoltória são definidas pelo mesmo procedimento de definição das linhas. Esta envoltória será usada para filtrar/separar as extremidades do heliponto de extremidades de outras regiões da imagem, isto é, os ruídos definidos anteriormente. Um exemplo de envoltória é apresentado na Figura 4. Um exemplo da aplicação do método de detecção de extremidades (He e Yung 2014) é apresentado na Figura 5. Através deste exemplo, percebe-se que algumas extremidades detectadas não fazem parte da estrutura do heliponto, pois estão fora da envoltória mencionada anteriormente. Assim, a próxima etapa deste trabalho será a eliminação destas extremidades. 4. Conclusões Através dos resultados obtidos é possível verificar que as bordas do heliponto são detectadas automaticamente através da aplicação da melhor configuração obtida para filtro de Canny, considerando o problema abordado neste trabalho. Para esta configuração, as únicas bordas detectadas foram as bordas do heliponto e houve pouca deformação geométrica de tais bordas. As extremidades destas bordas foram detectadas por meio da aplicação da técnica de detecção de extremidades proposta em [He e Yung 2014]. Assim, pode-se concluir que o objetivo deste trabalho de iniciação científica foi alcançado. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

123 123 Como trabalho futuro, os resultados deste trabalho serão utilizados no processo de extração de características de forma de helipontos em imagens. (a) CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION, 2014, Saint Paul, MN. Proceedings Saint Paul: IEEE, p DAVIES, E. R. Machine Vision: Theory, Algorithms and Practicalities. Terceira Edição. San Francisco: Elsevier, p. CANNY, J.. A computational approach to edge detection. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, v. PAMI-8, n. 6, p , Nov HE, X. C.; YUNG, N. H. C. Curvature scale space corner detector with adaptive threshold and dynamic region of support. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON PATTERN RECOGNITION (ICPR 04), 17, 2004, Cambridge, England, UK. Proceedings Cambridge: IEEE, vol. 2, p (b) Fig. 4: (a) Bordas do heliponto obtidas com a melhor configuração do filtro de Canny: limiar inferior igual a 0.7, limiar superior igual a 0.9, e desvio padrão igual a 6; e (b) envoltória construída a partir desta borda. Fig. 5: Exemplo de resultado obtido com o detector de extremidades. Agradecimentos Agradeço ao CNPq pela bolsa de iniciação científica concedida. Referências SANCHEZ-LOPEZ, J. L.; PESTANA, J.; SARIPALLI, S; CAMPOY, P. An approach toward visual autonomous ship board landing of a VTOL UAV. Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 74, p , LEE, D. et al. Autonomous landing of a VTOL UAV on a moving platform using image-based visual servoing. In: IEEE INTERNATIONAL Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

124 124 PROCESSAMENTO DE IMAGENS PARA UM SISTEMA ROBÓTICO COM CÂMERA D. M. Adamis 1, F. L. L Medeiros 2* Projeto: Sistema de Câmera Guinada/Arfagem com Baixo Custo Financeiro. 1 Universidade Federal de São Paulo São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho de iniciação científica teve como objetivo o embarque e a utilização de técnicas de processamento de imagens em um sistema robótico desenvolvido em um projeto de iniciação científica fomentado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). O conjunto destas técnicas é a primeira etapa do desenvolvimento de um módulo para a estimação automática de posições geográficas através do reconhecimento de objetos em imagens. Os resultados são apresentados neste trabalho. Palavras-chave: Sistema Robótico, Processamento de Imagens; Sistema Embarcado, VANT. 1. Introdução Os sistemas embarcados de tempo real baseados em técnicas de visão computacional vêm sendo usados como auxílio à navegação autônoma de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Em Sanchez-Lopez (2014) e em Lee (2014), sistemas embarcados de visão computacional são utilizados para orientar o pouso autônomo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) do tipo Vertical TakeOff and Landing (VTOL), em helipontos conectados a plataformas móveis como, por exemplo, barcos de pequeno porte. Em Michaelsen et al. (2011) é proposto um sistema computacional que estima a localização de um VANT através do reconhecimento automático de pontos de referência georreferenciados em imagens obtidas durante o voo. Em Jayatilleke (2013) é proposto um sistema similar ao proposto em Michaelsen et al. (2011). A diferença é que o sistema proposto em Michaelsen et al. (2011) usa coordenadas geográficas para descrever a posição de um VANT e o sistema proposto em Jayatilleke (2013) utiliza coordenadas cartesianas. A análise da acurácia da posição estimada é essencial para a avaliação das técnicas de visão computacional utilizadas para a estimação de posição nos trabalhos mencionados. Deste modo, foi desenvolvido, em trabalho anterior, com o apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), um sistema robótico de baixo custo para aquisição de imagens georreferenciadas e orientadas por sensores inerciais e magnetômetro (Adamis, D. M.; Medeiros, F. L. L., 2015). O sistema robótico é apresentado na Fig. 1. Fig. 1. Sistema robótico para aquisição de imagens georreferenciadas e orientadas por sensores inerciais e magnetômetro. O sistema robótico foi projetado inicialmente para funcionar com módulos computacionais destinados à estimação da posição geográfica de Veículos Não Tripulados (VNTs) através de reconhecimento automático de referências em imagens. Considerando-se que um desses módulos seja embarcado e integrado ao sistema robótico, o sistema robótico permite que as posições do VNT estimadas pelo módulo sejam comparadas em tempo real Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

125 125 com as posições do VNT estimadas por um receptor de GPS. Todo o processo de montagem e de integração deste sistema robótico foi apresentado em Adamis (2015), assim como resultados do processo de estimação da atitude e da posição geográfica do sistema através do processamento de dados de sensores inerciais, magnetômetro e do receptor de GPS embarcados no próprio sistema. Este trabalho de iniciação científica teve como objetivo o embarque e a utilização de técnicas de processamento de imagens no sistema robótico desenvolvido em Adamis (2015). O conjunto destas técnicas é a primeira etapa do desenvolvimento de um módulo para a estimação automática de posições geográficas através do reconhecimento de objetos em imagens. Na Seção 2 deste trabalho, são apresentadas as técnicas de processamento de imagens visando à detecção de objetos através de suas características de forma. São exemplos de características de forma as relações entre os lados da estrutura do objeto na imagem. Uma etapa essencial para a extração destas características é a detecção das bordas da estrutura do objeto na imagem. Assim, o filtro de Canny foi utilizado por permitir a detecção destas bordas. A suavização gaussiana foi usada por permitir a redução de bordas que não fazem parte do objeto a ser reconhecido. Na Seção 3 são apresentados alguns resultados da aplicação destas técnicas e análises destes resultados. Na Seção 4 são descritas conclusões referentes a este trabalho de iniciação científica e perspectivas de utilização do sistema robótico. 2. Metodologia Visando à realização de experimentos em laboratório com as técnicas estudadas, foram obtidas imagens de landmarks artificiais com o sistema robótico apresentado em Adamis (2015). Um landmark é um objeto, tal como mencionado na seção anterior, com uma posição geográfica conhecida e que pode ser usada como uma referência em processos de estimação de posição baseados em reconhecimento de padrões em imagens (Yanmin L. et al., 2012). São exemplos de landmarks artificiais: torres, pontes, estradas, aeroportos, heliportos, etc. Neste trabalho, as imagens digitais dos landmarks foram processadas através da aplicação de técnicas da biblioteca computacional OpenCV. Uma descrição desta biblioteca e das técnicas de processamento de imagens usadas neste trabalho é apresentada na Subseção Biblioteca Computacional OpenCV OpenCV é uma biblioteca do tipo código aberto composta por técnicas de processamento de imagens digitais e por técnicas de visão computacional (Bradski, G.; Kaebler, A., 2008). A biblioteca foi desenvolvida nas linguagens de programação C e C++ para aplicações em tempo real, otimizada para computadores com processadores de múltiplos núcleos, ela possui interfaces para outras linguagens e ambientes de programação como Python, Matlab, entre outros. A OpenCV pode ser executada nos sistemas operacionais Windows, Linux, Mac OS X e, recentemente, Android. Neste trabalho, uma versão de OpenCV para o sistema operacional Android 4.1 (Howse, J., 2013) foi instalada/embarcada no sistema robótico. Esta versão é denominada OpenCV4Android. Um aplicativo Android foi desenvolvido para o sistema robótico com a finalidade de permitir uma interface para o usuário do sistema robótico (Adamis, D. M.; Medeiros F. L. L., 2015). Por intermédio deste aplicativo, o usuário pode: visualizar as informações dos sensores enviadas pela placa microcontroladora Arduino; visualizar a captura automática de imagens pela câmera; visualizar o processamento das imagens capturadas; efetuar manualmente o processo de aquisição de imagens; ou enviar comandos para movimentação dos servomotores do sistema robótico. As técnicas de processamento de imagens da biblioteca OpenCV utilizadas neste Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

126 126 trabalho foram o filtro de Canny e a suavização gaussiana. O Filtro de Canny, proposto em Canny (1986), é uma técnica computacional para detecção de bordas de estruturas que compõem imagens digitais. As bordas são as regiões de uma imagem que apresentam maior contraste, isto é, maior nível de variação da intensidade dos pixels. A suavização gaussiana (Koenderink, J. J., 1984) consiste em uma operação de convolução de regiões de uma imagem digital com um filtro gaussiano. A suavização gaussiana permite a redução de ruídos da imagem. Neste trabalho, um ruído é uma região com baixo nível de contraste. 3. Resultados e Discussão Para a realização de experimentos com as técnicas mencionadas na seção anterior, foram obtidas imagens da torre do Instituto de Estudos Avançados (IEAv). A Fig. 2 apresenta alguns resultados da aplicação do filtro de Canny. A Figura 2a ilustra a imagem original da torre do IEAv e a Fig. 2b apresenta a imagem borrada pela aplicação do filtro de suavização gaussiana e a Fig. 2c ilustra as bordas detectadas com a aplicação do filtro de Canny. A detecção de bordas na imagem, possível através da aplicação consecutiva do filtro de suavização gaussiana e do filtro de Canny, pode ser realizada com o propósito de reconhecer formas na imagem e então estimar a posição geográfica do sistema robótico desenvolvido em Adamis (2015) em relação a um landmark cujas coordenadas geográficas são conhecidas. Tornando este (Adamis, D. M.; Medeiros F. L. L., 2015) um framework, por assim dizer, de testes em tempo real para qualquer dispositivo com o sistema operacional Android superior à versão O código para a aplicação do filtro de Canny é apresentado na Fig. 3. Este código e os demais códigos que serão descritos nessa seção foram elaborados na linguagem de programação Java. Fig 2. (a) imagem original. (b) imagem borrada pelo filtro de suavização gaussiana. (c) bordas obtidas com o filtro de Canny. Fig. 3. Código que corresponde à aplicação do filtro de Canny. O código para a aplicação do método de suavização gaussiana é apresentado na Fig. 4. Fig. 4. Código correspondente à aplicação do método de suavização gaussiana. 4. Conclusões Este trabalho apresentou as técnicas de processamento de imagens aplicadas em imagens digitais obtidas pelo sistema robótico apresentado em Adamis (2015), sendo uma delas o filtro de Canny. No decorrer deste estudo, pôde-se concluir que o embarque e a utilização de técnicas de processamento de imagens no sistema robótico desenvolvido em Adamis (2015) providas pela biblioteca OpenCV4Android (Howse, J., 2013) torna possível a aplicação Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

127 127 de Adamis (2015) como ferramenta intermediária para o teste, em tempo real, de um dispositivo com o sistema operacional Android. As técnicas utilizadas para o processamento de imagens foram o filtro de Canny e a suavização gaussiana. A aplicação de outras técnicas e a melhoria do sincronismo dos dados obtidos pelo sistema robótico são atividades da próxima etapa deste trabalho. A comunicação via porta serial entre o dispositivo Android e o hardware Arduino também foi concluída nesta etapa, possibilitando a movimentação do dispositivo Android através dos servomotores. Agradecimentos Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), pela bolsa de estudos concedida para o desenvolvimento deste projeto, ao Instituto de Estudos Avançados (IEAv) por conceder a infraestrutura adequada e à todos que contribuíram para este mesmo fim. Referências ADAMIS, D. M.; MEDEIROS F. L. L., Dispositivo eletrônico de baixo custo para georreferenciamento automático de imagens digitais obtidas em tempo real. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO (SBSR), 17, 2015, João Pessoa-PB, Brasil. Anais... pp , BRADSKI, G.; KAEBLER, A., Learning OpenCV: Computer Vision with the OpenCV Library. O Reilly, pp. 555, CANNY J., A computational approach to edge detection. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, v. PAMI-8, n. 6, November HOWSE, J., Android Application Programming with OpenCV. Editora Packt Publishing, pp., JAYATILLEKE, L; ZHANG, N., Landmarkbased localization for unmanned aerial vehicles. In: IEEE International Systems Conference (SysCon), 7., 2013,. Proceedings... Orlando, FL, USA: IEEE, Papers, p CD-ROM, On-line. ISBN Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostrecentissue.jsp?p unumber= >. Acesso em 10 nov KOENDERINK, J. J., The Structure of Images. Biol Cybern 50: , LEE, D.; RYAN, T.; KIM, H. J. Autonomous landing of a VTOL UAV on a moving platform using image-based visual servoing. In: IEEE International Conference on Robotics and Automation, Saint Paul, Minnesota, USA, p , MICHAELSEN, E.; JÄGER, K.;ROSCHKOWSKI, D.; DOKTORSKI, L.; ARENS, M., Object oriented landmark recognition for UAV navigation. Pattern Recognition and Image Analysis, v. 21, n. 2, p , SANCHEZ-LOPEZ, J. L.; PESTANA, J.; SARIPALLI, S.; CAMPOY, P. An approach toward visual autonomous ship board landing of a VTOL UAV. Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 74, n. 1-2, p , YANMIN L.; XIAOLI W.; LIYE R.; ZHIBIN F., Research on artificial landmark recognition method based on omni-vision sensor, Fifth International Conference on Intelligent Networks and Intelligent Systems (ICINIS), p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

128 128 PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS AO LONGO DA LINHA DE CORRENTE DE UM SCRAMJET A. M. Simões Neto¹*, P. G. P. Toro² Projeto: Projeto PropHiper Propulsão Hipersônica 14-X. 1 Faculdadade de Tecnologia de São José dos Campos São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. * Resumo O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise teórico-analítica para determinar as propriedades termodinâmicas assim como o número de Mach ao longo de um Demonstrador Tecnológico scramjet. Foi implementada na planilha Excel um projeto preliminar de um Demonstrador Tecnológico scramjet visando voo atmosférico na altitude de até 85 km, com configuração planar. É possível o projeto de um scramjet de no máximo cinco rampas de compressão, uma seção de combustão e com duas rampas de expansão. Palavras-chave: Scramjet, Análise teóricoanalítica, Propulsão hipersônica aspirada. 1. Introdução Centros de Pesquisas estão desenvolvendo veículos aeroespaciais, para atingir velocidades hipersônicas, integrados a sistema de propulsão aspirado a base de combustão supersônica, scramjet (Fig. 1), (Curran, 2001; Fry, 2004). Scramjet (Fig. 1) é composto por seção de compressão, seção de combustão e seção de expansão. Ondas de choque oblíquas planas incidem no bordo de ataque da carenagem e são refletidas, incidindo na entrada da câmara de combustão. Combustível é injetado na câmara de combustão do scramjet, misturado e queimado com ar atmosférico comprimido e em velocidade supersônica. Fig. 1. Seção transversal do Demonstrador Tecnológico scramjet. Os gases, produto da combustão, é expelido na seção de expansão, gerando empuxo do veículo aeroespacial integrado a scramjet. Em geral, o projeto preliminar de um scramjet é desenvolvido por metodologia de análise teórica. Utilizando a teoria de onda de choque oblíqua plana aplicada na seção de compressão. Teoria de adição de calor em escoamento unidimensional (Teoria de Raleigh) aplicada na seção de combustão. Teoria de Prandtl-Meyer na seção de expansão (Anderson, 2003). Nesse relatório são apresentados resultados obtidos de um programa desenvolvido na planilha Excel. O objetivo é a determinação das propriedades termodinâmicas (pressão, temperatura, densidade e velocidade do som). Assim como o número de Mach (correspondente à velocidade de voo) ao longo da linha de corrente de um Demonstrador Tecnológico scramjet em voo atmosférico. 2. Metodologia de Cálculo Inicialmente, implementou-se as equações para determinar as propriedades termodinâmicas do ar atmosférico em uma determinada altitude, de até no máximo 85 km. Em seguida, determina-se o número de Mach correspondente à velocidade de voo do scramjet na atmosfera terrestre. O scramjet, configuração planar (Fig. 1), em voo atmosférico em velocidade supersônica/hipersônica a uma dada altitude, estabelece onda de choque oblíqua plana, na seção de compressão, com aumento das propriedades termodinâmicas que podem ser estimada, pela teoria de onda de choque. Na seção de combustão, combustível em velocidade sônica é injetado na corrente supersônica de ar atmosférico comprimido na seção de compressão. A teoria de adição Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

129 129 de calor de Raleigh pode ser utilizada para determinar as propriedades termodinâmicas e velocidade do escoamento de ar atmosférico na saída da câmara de combustão. Na seção de expansão o ar atmosférico é expandido acelerando-o para número de Mach supersônico/hipersônico, com diminuição das propriedades termodinâmicas, calculadas através da Teoria de Prandtl-Meyer. 3. Propriedades do ar atmosférico A atmosfera terrestre é dividida em quatro camadas: Troposfera, Estratosfera, Mesosfera e Termosfera (Fig. 2). T M TM, b LM, b H H b (2) onde, o gradiente de temperatura L M,b é igual a zero para a região isotérmica, e nas demais regiões, onde há gradiente de temperatura, L M,b 0. A temperatura estática (T) e a temperatura molecular (T M ) são iguais a uma mesma altitude, devido ao peso molecular médio do ar até a altitude geométrica de 80 km é exatamente o valor do peso molecular ao nível do mar M 0. A pressão estática (p) para a região isotérmica e para as demais regiões são dadas pelas equações 3 (L M,b = 0) e 4 (L M,b 0), respectivamente, ' M H H go o b p p R * M b b e T, (3) p ' go M o T R * m, b L M, b p (4) b TM, b LM, b H H b Fig. 2. Temperatura em função da altitude geométrica. Para determinar as propriedades termodinâmicas do ar atmosférico em uma determinada altitude que pode estar dentre essas camadas, é necessário determinar a altitude geométrica (Z), que é em função da altitude geopotencial (H), dada por H r 0 Z g ' r 0 Z go (1) onde, r 0, g e g ' o são raio médio da terra, aceleração da gravidade e aceleração da gravidade a nível do mar, respectivamente. A temperatura estática (T) pode ser dada por A massa especifica, a velocidade do som e a velocidade do escoamento podem ser determinadas, respectivamente, por p RT, a R T, u M. a 4. Propriedades após onda de choque A velocidade do escoamento não perturbado (da atmosfera terrestre) que se aproxima do bordo de ataque do scramjet, com deflexão positiva com ângulo θ s, estabelece onda de choque incidente oblíqua (Anderson, 2003), com ângulo β (Fig. 3), o qual pode ser determinado, pela teoria de onda de choque oblíqua plana, dada pela Eq. (5). M sen in tg s 2 cotg (5) 2 M in cos Conhecidas as propriedades da atmosfera terrestre (subscrito in), as propriedades termodinâmicas (pressão, massa especifica e temperatura) e o número de Mach após onda de choque incidente (subscrito out) considerando ar como gás perfeito ( 1,4) e sem os efeitos de camada limite, são determinados pelas seguintes equações: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

130 130 p p in M sen 1 out (6) in 1 1M sen 2 out in (7) in 2 1M sen 2 in M out M Tout T in in sen pout p in in out (8) 2 M in sen 1 sen s 2 1 (9) Observe que o escoamento através de onda de choque incidente oblíqua provoca o aumento da pressão, da temperatura e da massa específica, porém com diminuição do número de Mach. Entretanto, o escoamento permanece supersônico/hipersônico e paralelo sobre a superfície plana (Fig. 4). Fig. 4. Geometria de onda de choque oblíqua incidente sobre uma superfície plana. Onda de choque incidente ao encontrar uma superfície sólida provoca reflexão da onda de choque incidente, denominada onda de choque oblíqua refletida (Fig. 5). O escoamento após a onda de choque oblíqua refletida precisa se ajustar com as condições de contorno (que no caso de duas placas planas paralelas e alinhadas com o escoamento que provocou a onda de choque incidente), ou seja, o escoamento paralelo em relação às placas planas e em relação ao escoamento de origem. As relações de onda de choque oblíqua podem ser utilizadas com ângulo de deflexão igual aos ângulos de deflexão das ondas de choque oblíqua incidente que provocaram a onda de choque oblíqua refletida (Anderson, 2003). Fig. 3. Geometria da onda de choque incidente. Escoamento supersônico/hipersônico sobre uma superfície plana (Fig. 4) quando encontra uma deflexão positiva com ângulo θ em relação à placa plana estabelece uma onda de choque (atada na deflexão) com ângulo β, semelhantemente à onda de choque oblíqua incidente (atada no bordo de ataque). Fig.5. Geometria de onda de choque oblíqua refletida. Portanto, o mesmo equacionamento da onda de choque oblíqua incidente originada no bordo de ataque, do scramjet, pode ser utilizado para determinar as propriedades termodinâmicas após a onda de choque oblíqua devido ao escoamento sobre uma superfície plana e devida à onda de choque refletida. 5. Propriedades após a combustão Neste trabalho não será considerado queima de combustível Hidrogênio com ar atmosférico em velocidade supersônica. Portanto, as propriedades termodinâmicas e Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

131 131 velocidade do escoamento do ar atmosférico na saída da câmara de combustão será a mesma da entrada da câmara de combustão (Fig. 6). Fig.6. Propriedades de entrada (subscrito in) e saída (subscrito out) da câmara de combustão. 6. Propriedades após onda de expansão As propriedades termodinâmicas e o número de Mach após onda de expansão (Fig. 7), que ocorre na seção de expansão, na saída da câmara de combustão do scramjet, podem ser determinados pela teoria da onda de expansão de Prandtl- Meyer. Fig. 7. Geometria da Onda de Expansão. Conhecido o número de Mach do escoamento que se aproxima da deflexão negativa θ 2 (Fig. 7), pode-se calcular a função de Prandtl-Meyer M, antes da onda de expansão dada por: M tg M 1 tg M 1 (10) Conhecido a deflexão negativa θ 2, pode calcular a função de Prandtl-Meyer M após a onda de expansão, dada por e M M (11) out Conhecida a função de Prandtl-Meyer M após a onda de expansão determina-se in o número de Mach, após a onda de expansão através da Eq. 10. Conhecidas as propriedades do escoamento que se aproxima da deflexão θ 2 (subscrito in), as propriedades termodinâmicas e o número de Mach após onda de expansão (subscrito out), considerando ar como gás perfeito e sem os efeitos de camada limite, são determinados pelas equações isentrópicas (Anderson, 2003) a temperatura, pressão e massa especifica respectivamente M T in out 2 T 1 in 2 1 M out 2 p p out in out in T T p p out in in out T 1 T in out (12) (13) (14) Observe que o escoamento através de onda de expansão provoca a diminuição da pressão, da temperatura e da massa específica, porém com aumento do número de Mach. Entretanto, o escoamento permanece supersônico/hipersônico e paralelo sobre a superfície plana. Os ângulos da frente e da cauda tail head da onda de expansão são determinados, respectivamente, por: head 1 arcsen M in (15) tail 1 arcsen M out (16) 7. Planilha Excel Implementou-se na planilha Excel as equações relativas às propriedades termodinâmicas da atmosfera terrestre assim como das ondas de choque e de expansão. Foi utilizado na planilha Excel ferramentas como adição, subtração, multiplicação, divisão, raiz, função SE e interação. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

132 Resultados e Discussão Os resultados apresentados nesse trabalho (Tab. 1) correspondem à determinação das propriedades termodinâmicas de um Demonstrador Tecnológico scramjet, na altitude de 30 km em velocidade correspondente a número de Mach 7, (Fig. 8). O scramjet (Fig. 8) é composto por cinco rampas de compressão (com ângulos de 3º, 3,5º, 4,5º, 5,5º, 3,5º), uma onda de choque refletida (ângulo de 20º), seção de combustão (não considerando queima de combustível) e duas rampas de expansão (ângulos de 4,27º e 10,73º). São apresentadas, na 2ª linha (Tab. 1), as propriedades termodinâmicas (temperatura, pressão, massa especifica e velocidade do som) da atmosfera terrestre na altitude de 30 km. Ainda, a velocidade de voo correspondente a número de Mach 7. Da 3ª linha até a 8ª linha (Tab. 1) apresentam o ângulo da onda de choque oblíqua ( out ), número de Mach (M out ), as propriedades termodinâmicas (temperatura, pressão, massa especifica e velocidade do som), na seção de compressão (Fig. 1) e a velocidade de voo (u out ) em função do número de Mach de entrada (M in ), do ângulo de deflexão ( in ), da seção de compressão do Demonstrador Tecnológico scramjet. Como mencionado, neste trabalho não foi considerado queima de combustível Hidrogênio com ar atmosférico em velocidade supersônica. Portanto, as propriedades termodinâmicas e a velocidade do escoamento do ar atmosférico, após a onda de choque refletida, são as mesmas condições na entrada, e consequentemente, na saída da câmara de combustão (Fig. 6), do Demonstrador Tecnológico scramjet. A 9ª linha e a 10ª linha (Tab. 1) apresentam os resultados na seção de expansão, onde as propriedades termodinâmicas (temperatura, pressão, massa especifica e velocidade do som) e a velocidade do escoamento (u out ), após a onda de expansão, os ângulo das linhas de Mach relativa à frente ( head ) e à cauda ( tail ) da onda de expansão, função do ângulo de deflexão de 4,27º e 10,73º (Fig. 8). Os resultados do presente trabalho, obtidos através da planilha Excel (Tab. 1), foram validados utilizando o programa HAP, apresentado por Heiser e Pratt (1994). 9. Conclusões As teorias de onda de choque oblíqua plana e da onda de expansão, encontradas em livros textos de dinâmica de gás, podem ser aplicadas para o projeto preliminar de um veículo aeroespacial integrado a scramjet. Esta metodologia, de cálculo das propriedades termodinâmicas é desenvolvida na planilha Excel para aplicação ao longo da linha de corrente de um Demonstrador Tecnológico scramjet e em voo atmosférico a 30 km de altitude em velocidade correspondente a número de Mach 7. Observa-se que os valores das propriedades termodinâmicas (pressão, temperatura, massa específica e a velocidade do som) aumentam, enquanto a velocidade e o número de Mach sofrem um decréscimo ao longo da seção de compressão do Demonstrador Tecnológico scramjet. Ainda, os valores das propriedades termodinâmicas diminuem, enquanto a velocidade e o número de Mach aumentam ao longo da seção de expansão do Demonstrador Tecnológico scramjet. Finalmente, a seção de compressão possibilita estabelecer escoamento de ar atmosférico na câmara de combustão em condições, de temperatura e velocidade supersônica (número de Mach), adequadas para a queima de combustível Hidrogênio e ar atmosférico. Agradecimentos O primeiro autor agradece ao CNPq pela bolsa de Iniciação Científica nº / Referências ANDERSON JR., J. D. Modern Compressible Flow: with Historical Perspective. 3rd. ed: McGraw- Hill, CURRAN, E. T. Scramjet engines: The first forty years. Journal of Propulsion and Power, V. 17, , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

133 133 FRY, R.S. A. Century of Ramjet Propulsion Technology Evolution. Journal of Propulsion and Power, V. 20, n. 1, p , HEISER, H. W. and PRATT, D. T (with Daley, D. H. and Mehta, U. B.). Hypersonic Airbreathing Propulsion. Education Series. EUA. AIAA Fig. 8. Seção transversal do Demonstrador da Tecnologia scramjet. Tab. 1. Propriedades termodinâmicas no intradorso do Demonstrador Tecnológico scramjet. Ângulo M in θ in β out M out T out P out ρ out a out u out μ head μ tail de flexão (º) (º) (K) (Pa) (kg/m³) (m/s) (m/s) Propriedades da atmosfera 226, ,86 0, , , ,25 6,46 261, ,21 0, , ,7 3,5 6,46 3,5 11,31 5,91 306, ,07 0, , ,3 4,5 5,91 4,5 12,89 5,32 368, ,70 0, , ,9 5,5 5,32 5,5 14,77 4,71 452, ,73 0, , ,1 3,5 4,71 3,5 14,64 4,39 507, ,03 0, , ,9 20 4, ,38 3,02 951, ,2 0, , ,2 4,27 3,02 4,27 3,25 862, ,66 0, , ,3 19,324 17,889 10,73 3,25 10,73 7,79 204,66 463,78 0, , ,69 17,889 7,373 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

134 134 TERMOMETRIA EM CHAMAS UTILIZANDO A TÉCNICA DE ESPALHAMENTO RAYLEIGH A. E. O. Ferraz 1*, L. G. Barreta 2 1 Universidade Estadual Paulista Júlio de Mesquita Filho - Departamento de Física,Guaratinguetá SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Atividades Gerais, São José dos Campos SP. * Resumo O espalhamento Rayleigh é um fenômeno físico e é muito utilizado para medida de temperatura dos produtos de uma combustão. O presente trabalho teve como objetivo determinar a temperatura de uma chama de metano (CH 4 ) e de GLP/O 2 /ar no eixo axial a fim de mapeá-las e compará-las com os valores teóricos a partir de um programa computacional GASEQ GASEQ (Chemical equilibria in Perfect gases) versão A simulação da chama adiabática permite observar a quantidade de calor perdida num processo real de combustão, para aplicação em tuneis de choque de alta velocidade sejam eles pertencentes á classe supersônica, como também hipersônica. Palavras-chave: Diagnóstico em chamas, Temperatura, Espalhamento Rayleigh. 1. Introdução Escoamentos de alta velocidade sejam eles pertencentes à classe supersônica, como também a hipersônica, são sistemas intrinsecamente ligados às tecnologias aplicáveis ao setor aeroespacial. Dos gases de exaustão de uma turbina aeronáutica, ao deslocamento de um veículo lançador na atmosfera terrestre, a temperatura de um dado escoamento consiste, ao lado da pressão, velocidade, densidade e, nos casos de escoamentos reativos, da concentração das espécies envolvidas, em um parâmetro imprescindível para uma completa caracterização de sistemas dessa natureza (ESTRUCH et al, 2009). A capacidade de se determinar esse conjunto de parâmetros ganha particular importância se considerada sua aplicação como informação crítica na validação de códigos computacionais de dinâmica de fluidos, comumente conhecida pela sigla em inglês CFD (MIELKE et al, 2005), tidos atualmente como fundamentais em quaisquer projetos de aeronaves e veículos lançadores espaciais (OBERKAMPFA et al, 2002 ). Como ponto em comum a todos eles, está a capacidade de se coletar de maneira eficiente a luz proveniente do sistema por meio de um arranjo óptico sensível aos reduzidos tempos de duração dos testes, da ordem de microssegundos nos dispositivos hipersônicos. O espalhamento Rayleigh é um fenômeno físico e é muito utilizado para medida de temperatura e concentração dos produtos de uma combustão, e que também pode ser usado para medir a densidade. Adotando-se pressão constante, a temperatura pode ser derivada da Lei do Gás ideal ou pela largura de linha do espalhamento Doppler (CHILDS et al, 2000). O espalhamento Rayleigh é um espalhamento elástico da luz pelas moléculas ou partículas muito pequenas menores que cerca de 0,3 µm no tamanho. É necessário, para análise do espectro, saber as concentrações individuais das espécies no fluxo. A faixa e exatidão para o espalhamento Rayleigh são de ºC e 1% de leitura de graus Celsius, respectivamente (CHILDS et al, 2000). Em um processo de espalhamento elástico não há quantidade de energia trocada entre a radiação incidente e as moléculas atingidas ou partículas. Por esta razão, o espalhamento Rayleigh não pode ser usado para determinar concentrações individuais das espécies, mas somente para medir a densidade do número de todas as espécies juntas. O espalhamento Rayleigh é de interesse desde que a seção de choque seja tipicamente três vezes maior que a magnitude para o espalhamento vibracional Raman. Isto devido ao fato de que o processo de espalhamento Rayleigh surge da polaridade induzida, a qual é mais forte que a polaridade induzida derivada que Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

135 135 aumenta para o espalhamento vibracional Raman (SUTTON, 2005). O sinal espalhado E s é medido em um ponto em temperatura ambiente (E s,ar ), e em um ponto (r,z) dentro da chama E s (r,z), pode-se escrever a equação da seguinte forma (BENHACHMI et al, 1983): d E s r, z) d eff, chama( r Es, ar T( r, z) d Tar d (, z) ar (1) A Eq. (2), a seguir oferece um procedimento de calibração para T(r,z) em termos de T ar também a dependência da seção de choque na temperatura é conhecida. Para uma mistura estequiométrica, a variação na seção de choque citada é negligenciada, e a seção de choque pode ser assumida constante por toda a chama. Desta forma, reduz-se o procedimento para medir a intensidade espalhada de Rayleigh para cada ponto de interesse relativo ao de referência, ou seja, ar na temperatura ambiente. E então, a temperatura pode ser calculada da Eq.(2), T r, z Es, Tar E ar d d s, chama d d ar eff, chama Sendo que se pode abreviar para: Onde T S( T ) (2) 1 2 T1 (3) S( T2 ) (4) O objetivo do projeto consiste em desenvolver um método óptico não-intrusivo de determinação de temperatura chamas prémisturadas que garanta a capacitação nacional na utilização desta técnica. A técnica escolhida foi a RST, do inglês Rayleigh Scattering Thermometry, ou Termometria por Espalhamento Rayleigh, cujo princípio se baseia na luz espalhada pelos gases presentes no escoamento. A fim de determinar a temperatura experimental no eixo axial para as chamas GLP/O 2 /ar e metano, a fim de compará-las com valores teóricos obtidos através do programa GASEQ, que simula uma chama adiabática, ou seja, uma chama que não perde calor (sistema ideal) e compará-la também com a literatura. 2. Metodologia Para o GLP foi mantida uma vazão fixa de 280 ml/min, para o oxigênio a vazão de 1049 ml/ min, e para o ar uma vazão de 900 ml/ min. A leitura da escala dos rotâmetros são unidades arbitrárias (u.a.), que serão transformadas em unidades de medida de vazão volumétrica (ml/min) por meio da equação da curva de calibração fornecida por (SILVA, 2012). A razão de equivalência é um dos fatores mais importantes para a determinação do desempenho de um sistema de combustão. É muito utilizada para indicar quantitativamente se uma mistura de combustível é rica, pobre ou estequiométrica. A razão de equivalência é definida como: Sendo: Ox Oxidante Comb- Combustivel (5) Desta definição, pode-se observar que para misturas ricas em combustível, 1, para misturas pobres em combustível Φ < 1 e para misturas estequiométricas Φ é igual a 1 (TURNS, 2000). Para o presente trabalho, as vazões das chamas de GLP /O 2 / Ar e do CH4/O 2 /Ar, foram calculadas por meio da calibração dos rotâmetros, e as respectivas razões de equivalência foram obtidas para determinação quantitativa das misturas, e os dados estão representados nas Tab. 1 e Tab. 2. A Tab. 1 apresenta ás vazões volumétrica Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

136 136 de combustível e oxidante para a chama de GLP utilizadas no presente no trabalho. Tab. 1. Razão de Equivalência para as vazões volumétricas de combustível e oxidante. Vazão GLP (ml/min) Vazão O 2 (ml/min) Vazão Ar (ml/min) ,1 Razão de Equivalência ( ) A Tab. 2 apresenta ás vazões volumétrica de combustível e oxidante para a chama de metano utilizada no presente no trabalho. Tab. 2. Razão de Equivalência para as vazões volumétricas de combustível e oxidante. Vazão CH 4 (ml/min) Vazão O 2 (ml/min) Vazão Ar (ml/min) ,97 Razão de Equivalência ( ) Para determinação do sinal Rayleigh foi utilizado um sistema que consiste de um Laser de Nd-YAG, prismas, um queimador de chama pré-misturada, lentes, polarizador, fotomultiplicadora, fonte de tensão e um osciloscópio. A Fig. 1 representa o esquema experimental para detecção do espalhamento Rayleigh. O feixe do laser é focalizado por uma lente convergente de distância focal de 1,20 m. A luz espalhada é coletada perpendicularmente à direção de propagação do feixe de incidência por uma de lente de 0,05 m de distância focal. Depois de passar por um polarizador, um filtro de faixa de 532 nm existente em um monocromador, com uma fenda de 50 µm, a luz espalhada é detectada por uma fotomultiplicadora. A fotomultiplicadora é ligada ao sistema de processamento de sinal, ou seja, um osciloscópio Tektronix TDS 2000 B. Um dos canais é utilizado para o sinal de disparo e outro para medir sinal de luz espalhada. As medidas foram efetuadas com o polarizador em 90 o, onde se tem o máximo de espalhamento, e 0 o, no qual o sinal coletado deve ser o mínimo. A diferença entre os dois sinais é que realmente é o sinal de espalhamento Rayleigh. A fim de mapear as diferentes seções da chama, o queimador foi movido horizontalmente, em diferentes elevações, enquanto a coleção óptica o feixe laser permaneceu fixa, segundo a Fig. 1 que mostra o esquema experimental. Fig. 1. Esquema de montagem do experimento de medição de temperatura utilizando a técnica de Espalhamento Rayleigh 3. Resultados e Discussão Para a chama de GLP/O 2 /AR utilizada nesse experimento temos fixo o valor de vazão volumétrica para o GLP, de 280 ml/min, e para o O 2 uma vazão de 1049 ml/min e para a estabilização da chama, ar comprimido com uma vazão volumétrica de 900 ml/min. Os valores de temperatura encontrados para a chama de GLP/ O 2 /Ar, mapeada no eixo axial são observados Fig. 2, desde á interface (chama ar ambiente) de um lado ao outro, sendo que os valores no ar ambiente próximo da chama têm valores aproximadamente entre (412K e 482K) para cada lado, valores estes que não se aproximam da temperatura ambiente 298K, refletindo assim a interferência da radiação da chama. De forma a comparar os resultados de temperaturas experimentais com o teórico oferecido pelo programa GASEQ, simulando uma chama adiabática, ou seja, uma chama que não perde calor (sistema ideal), o resultado experimental obtido pela chama de GLP/O 2 /Ar foi satisfatório comparado ao teórico. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

137 137 ar ambiente) de um lado ao outro, sendo que os valores no ar ambiente próximo da chama têm valores aproximadamente de 1300K para cada lado, valores estes que não se aproximam da temperatura ambiente 298K, refletindo assim a interferência da radiação da chama. Fig. 2. Chama de GLP/O 2 /Ar - Temperatura X Posição axial. Para a chama de GLP/O 2 /ar o valor máximo da temperatura experimental encontrado foi de 2500K como pode ser visto na Fig. 2 e a temperatura obtida teoricamente foi de 2902 K como pode ser vista na Fig. 3. Considerando que há perda de parte da energia para o sistema experimental (sistema real) é esperado um valor menor da temperatura experimental. Fig. 3. Simulação do GASEQ para o (Propano + Oxigênio+ Ar). Para a chama de CH 4 utilizada nesse experimento temos fixo o valor de vazão volumétrica para o metano, de 346,82 ml/min, e para a estabilização da chama, ar comprimido com uma vazão volumétrica de 700 ml/min, sendo que 79% desta vazão correspondem à vazão de N 2 e 21% de O 2. Os valores de temperatura encontrados para a chama de CH 4, mapeada no eixo axial são observados Fig. 4, desde á interface (chama Fig. 4. Chama de CH 4 - Temperatura X Posição axial. De forma a comparar os resultados de temperaturas experimentais com o teórico oferecido pelo programa GASEQ, simulando uma chama adiabática, ou seja, uma chama que não perde calor (sistema ideal), o resultado experimental obtido pela chama de CH 4 foi satisfatório comparado ao teórico. Para a chama de CH 4 o valor máximo da temperatura experimental encontrado foi de 2600K como pode ser visto na Fig. 4 e a temperatura obtida teoricamente foi de 2690K como pode ser vista na Fig. 5. Considerando que há perda de parte da energia para o sistema experimental (sistema real) é esperado um valor menor da temperatura experimental. Segundo determinado por Santos (2005), utilizando o método de excitação de Fluorescência Induzida por Laser, para chamas pré-misturadas de GLP/Ar/O 2, as temperaturas variaram de 2441 ± 110K a 2631 ± 100K para Φ = 1,0. De acordo com Matos (2012), a determinação da temperatura pelo método de Boltzmann, para uma chama estequiométrica de GLP/Ar/O 2, utilizando a técnica LIF de excitação, para diversas situações de atrasos temporais e tempos de exposição foram de 2272 ± 117K a 2531 ± 168K. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

138 138 Portanto, as temperaturas obtidas nesse trabalho para as chamas de GLP/O 2 /Ar e CH 4 mostram-se satisfatórias comparadas a trabalhos anteriores e ao valor teórico. Fig. 5. Simulação no GASEQ do gás CH Conclusões Utilizando o espalhamento Rayleigh e comparando os resultados com os encontrados na literatura e outros métodos foram possíveis observar a coerência nos resultados desse trabalho. Com o mapeamento da chama é possível detectar sua máxima e mínima temperatura, e isso é de suma importância, para um maior aproveitamento para caracterização de uma chama. Além disso, a técnica de espalhamento Rayleigh é uma técnica viável economicamente de ser aplicada em escalas tanto laboratoriais quanto industriais, devido ao seu baixo custo operacional e de equipamentos, já que utiliza apenas Laser pulsado ou contínuo, de alta potência, coleção óptica, fotomultiplicadora, polarizador, monocromador, osciloscópio e fonte de tensão de 1000V. Nesta técnica o fator alinhamento óptico é um dos mais críticos, já que a posição na axial e vertical das lentes, polarizador e o aparato colimador influenciam diretamente na detecção do sinal de espalhamento, contribuindo para ruídos no sinal adquirido, se não for bem calibrado. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq e a FAPESP pelo apoio financeiro no desenvolvimento do projeto (CNPq-PIBIC- IEAv pelo processo n:145869/2014-8). Referências BENHACHMI, D. et al. Rayleigh Thermometry with Low-Power Laser Sources. In: Thermophysics conference, 1983, Montreal. Journal American Institute of Aeronautics and Astronautics, CHILDS, P.R.N.; GREENWOOD, J.R.; LONG, C.A. Review of temperature measurement. Thermofluid Mechanics Research Centre, v.71, n.8, Maio, ESTRUCH, D; LAWSON, N, J ; GARRY, K,P. Application of Optical Measurement Techniques to Supersonic and Hypersonic Aerospace Flows, J. Aerosp. Engineer., (2009) MATOS, Pedro Antônio de Souza. Estudo da influência do atraso na detecção da Fluorescência Induzida por Laser sobre a Determinação da temperatura da chama Dissertação (Mestre em Engenharia e Tecnologias Espaciais) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos. MIELKE, A,F; SEASHOLTZ, F, R ;ELAM, K, A ;PANDA, J. Time-average measurement of velocity, density, temperature, and turbulence velocity fluctuations using Rayleigh and Mie scattering, Experim. in Fluids 39 (2005) MORLEY, CHRIS. GASEQ Chemical Equilibria in perfect gases version Disponível em: <www.gaseq.co.uk/>. Acesso em: 07 jan OBERKAMPFA, W,L;TRUCANO, T, G. Verification and validation in computational fluid dynamics, Progr. in Aerosp. Scienc. 38 (2002) PATTON, R.A. Multi-kHz Temperature imaging in turbulent non-premixed flames using planar Rayleigh scattering. Springer Verlag Journal. p Feb SANTOS, Leila Ribeiro. Medições de temperatura de chamas de etanol utilizando Fluorescência Induzida por Laser f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade de São Paulo, São Paulo. SBAMPATO, Maria Esther; SANTOS, Leila Ribeiro; BARRETA, Luiz Gilberto. Fluorescência Induzida por Laser (LIF) e Fluorescência Induzida por Laser Planar (PLIF). In: Métodos Experimentais de Análise Aplicados à Combustão. 1. ed. Papel Brasil Editora Cap. VI, p SILVA, Lina Augusta Martins Ramos. Medição de temperatura de chama pré-misturada de GLP, Oxigênio e Ar utilizando a técnica de espalhamento Rayleigh a laser f. Tese (Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. SUTTON, Gavin et al. A Combustion temperature and species standard for the calibration of laser Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

139 139 diagnostic techniques. Elsevier Journal of Combust and Flame, v.147, p.39-48, July Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

140 140 USO DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO DE PILOTO AUTOMÁTICO PARA GUIAMENTO DE VANT DO TIPO VTOL L. H. M. Dias 1*, M. R. C. Aquino 2, M. E. L. Honorato 1, D. Geraldo 2, V. C. F. Gones 2, F. L. L. Medeiros 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho apresenta-se o estudo do protocolo de comunicação para piloto automático de um veículo aéreo não tripulado (VANT) denominado MAVLink. É apresentada a tradução de suas mensagens para interpretação dos dados que trafegam entre a Estação de Controle de Solo (ECS) e o Piloto Automático (PA). O intuito desse estudo é permitir o envio de comandos para o VANT de forma autônoma, sem interferência de um controlador humano. Este projeto se insere no estudo de pouso autônomo de VANT do tipo VTOL, onde serão usadas técnicas de visão computacional para: o reconhecimento automático de um heliponto; a estimação de dados de voo; e o guiamento do pouso do VANT. Palavras-chave: MAVLink, MAVProxy, ArduPilot. 1. Introdução O pouso autônomo de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANT) do tipo Vertical Take-Off and Landing (VTOL) em helipontos consiste em um problema complexo devido à existência de um erro significativo entre a posição real de um heliponto e a posição estimada pelo sistema de navegação do VANT, onde este sistema é baseado na fusão entre dados obtidos por um receptor de Global Positioning System (GPS), sensores inerciais, magnetômetro e barômetro. A solução deste problema é a utilização de um Módulo de Visão Computacional (MVC) com a função de reconhecer o heliponto por meio de uma câmera e corrigir o erro entre a posição real e estimada (Sanchez-Lopez, 2014; Lee, 2014). Para isso, a comunicação entre o MVC e o piloto automático do VANT é essencial para o desenvolvimento de um sistema de pouso autônomo baseado em visão computacional. Neste contexto, este trabalho tem como objetivo o estudo do protocolo de comunicação MAVLink e o desenvolvimento de uma interface de comunicação entre o piloto automático e as aplicações embarcadas no MVC que farão o controle do VANT. Nas seguintes seções serão apresentados o desenvolvimento do problema, os resultados obtidos e as conclusões. 2. Metodologia Para o desenvolvimento desse trabalho, é necessário um piloto automático para o VANT, e um minicomputador, para o processamento do módulo de visão computacional. A seção 2.1 faz uma descrição de tais componentes, enquanto a seção 2.2 aborda o protocolo de comunicação MAVLink. 2.1 Materiais Empregados Neste trabalho, o Piloto Automático (PA) escolhido foi o ArduPilot Mega (APM) 2.5. Além do fato de ser um hardware aberto, uma de suas vantagens é possuir sensores essenciais para o voo de um VANT. Esse componente conta com sensores inerciais, magnetômetro, barômetro, entrada para um receptor GPS, rádio controle e emissor de dados de telemetria (3DROBOTCS, 2014). Com o uso do APM, é possível pilotar um VANT de pequeno porte via rádio controle e receber, por meio de um computador, dados de telemetria para o monitoramento do voo. O APM controla automaticamente os motores do VANT, permitindo sua estabilização e a navegação do veículo em diferentes modos como, por exemplo, o modo de navegação autônoma por uma sequência de posições (waypoints). Para o módulo de visão computacional, foi usado o minicomputador Raspberry PI B+ (RPI) por ser de baixo-custo (±$35), de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

141 141 pequeno porte (8,5 centímetros (cm) de comprimento, 5,6 cm de largura e 45 gramas (g)) e com a capacidade de receber um sistema operacional. Como configuração importante para o projeto, o RPI possui portas GPIO (General Purpose Input/Output) que possibilitam a conexão de periféricos, como recebedor de dados de telemetria, câmeras e outros tipos de sensores. Seu processador ARM11 com 700MHz, 512 MB de memória RAM. Uma Graphics Processing Unit (GPU) de 400 MHz e capacidade de gerenciamento de cartão de memória não volátil de até 32 GB (UPTON, 2012) (RASPBERRY PI FOUNDATION, 2014) são suficientes para o processamento das imagens obtidas. Para a avaliação de comunicação via MAVLink, o RPI foi configurado com a instalação do Sistema Operacional Raspian (THOMPSON, 2014), do compilador C GCC (FREE SOFTWARE FOUNDATION, 2014) e da biblioteca em C do MAVLink (MEIER, 2014). Tradicionalmente, o piloto automático recebe e envia dados diretamente para uma estação de solo. Essa comunicação é feita através dos módulos de telemetria, os quais usam comunicação serial sem fio. Para permitir que o MVC embarcado na RPI também possa se comunicar com o PA, foi necessário o uso do software MAVProxy (TRIDGELL, 2015). Esse software, escrito em Python, funciona como intermediador entre o PA e os demais recursos que desejam se comunicar com ele. A Fig. 1 apresenta um diagrama simplificado da interface entre esses componentes. O MAVProxy, em execução no RPI, se comunica com o piloto automático através da porta USB. Para garantir que a ECS continue se comunicando com o APM, os dados são direcionados para a interface GPIO do RPI, onde foi conectado o módulo de telemetria. Além dessas conexões, o MAVProxy permite que aplicações possam acessá-lo via UDP ou TCP. Dessa forma, outras aplicações em execução na RPI podem fazer uso da rede local (localhost) para se comunicarem com o APM via MAVProxy. De maneira geral, o MAVProxy funciona como um multi/demultiplexador de mensagens entre os recursos (APM, ECS e aplicações). Fig. 1. Estrutura física e lógica de conexões de dados entre APM e RPI. A partir dessa estrutura, a comunicação do MVC com o PA deve ser feita através do envio e recebimento para o MAVProxy de mensagens MAVLink. 2.2 Protocolo MAVLink O protocolo de comunicação MAVLink é escrito para VANTs de pequeno porte. O APM usa esse protocolo como padrão de comunicação com outros dispositivos. Com o uso deste protocolo, é possível enviar dados como, por exemplo, a velocidade de cada motor, latitude, longitude, posições de navegação (waypoints), entre outros. Este protocolo trabalha com mensagens fixas, sendo possível a expansão do conjunto de mensagens, desde que as regras do protocolo sejam cumpridas. A mensagem mais frequentemente utilizada neste protocolo é denominada HEARTBEAT. Os dispositivos a enviam entre si para manter a comunicação ativa. A ausência dessa mensagem por determinado tempo (pré-estabelecido) determina a perda de conexão. No MAVLink, cada tipo de mensagem é identificado por um número único. A partir do reconhecimento do tipo da mensagem, é possível interpretar o restante da mensagem. Para a manipulação das mensagens MAVLink neste trabalho, foi utilizada uma biblioteca em C de código fonte aberto (MEIER, 2015). Para cada tipo de mensagem existem funções para o empacotamento, desempacotamento e a geração da sequência binária para o envio. As funções de empacotamento recebem como parâmetros os atributos da mensagem e produzem uma estrutura de dados pronta para ser convertida em uma sequência binária. O código da Fig. 2 ilustra essas duas Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

142 142 etapas para a montagem de uma mensagem de HEARTBEAT. Nesse código, msg respresenta a estrutura de dados com os parâmetros da mensagem e buf a sequência binária pronta para ser enviada. mavlink_msg_heartbeat_pack(sys, comp, &msg, MAV_TYPE_GCS, MAV_AUTOPILOT_INVALID, 0, 0, 0); tamanho = mavlink_msg_to_send_buffer(buf, msg); Fig. 2 Exemplo de código para envio de mensagem MAVLink. O processo de recebimento é semelhante ao envio. A partir de uma sequência binária recebida, é feita a conversão em uma estrutura de mensagem genérica, onde já é possível identificar o tipo da mensagem. A partir desse ponto, pode ser feito o desempacotamento dos dados específicos. A Fig. 3 ilustra esses passos com um código que converte os dados recebidos (buf) na estrutura de mensagem genérica (msg). Na seqüência é feito um teste para verificar o tipo da mensagem e, por fim, na terceira linha, é feita a conversão para a mensagem do tipo HEARTBEAT (hb_msg). mavlink_parse_char(mavlink_comm_0, buf, &msg, &status) if(msg->msgid == MAVLINK_MSG_ID_HEARTBEAT) mavlink_msg_heartbeat_decode(msg, &hb_msg); Fig. 3 Exemplo de código para recebimento de mensagem MAVLink. 2.3 Testes Para a consolidação dos estudos, foram definidos dois tipos de testes: recebimento de dados do APM pelo RPI e envio de dados de RPI para a APM. Para o primeiro teste, o objetivo é realizar a leitura e interpretação dos dados recebidos. No segundo caso de teste, o objetivo é o envio de dados para o controle do VANT, de forma a simular o controle do VANT por um MVC autônomo. Com a finalidade de garantir a segurança nos primeiros experimentos com o sistema, foi usado um simulador de VANT VTOL, que também usa o MAVLink como protocolo de comunicação e o MAVProxy para interação com os demais recursos. Assim, foi possível a comunicação de dados de modo similar à comunicação de dados feita por VANT real com APM. Isto permite a correção de possíveis problemas em laboratório, permitindo também a realização de testes mais seguros em ambiente real de voo. O simulador usado é baseado na técnica SITL (Software In The Loop) (3DROBOTCS1, 2014). Este simulador permite a execução do código-fonte do piloto automático do APM e é possível a interação com o mesmo. No teste de recebimento de dados, o simulador SITL deve enviar pacotes de dados no formato do protocolo MAVLink para o RPI. O teste é considerado realizado de modo correto, se o minicomputador recebe os dados e os interpreta corretamente. O segundo teste consiste no envio de dados do RPI para o APM. Depois da recepção e da interpretação de dados pelo RPI, são enviados alguns parâmetros para o APM com o intuito de observar se o mesmo recebe tais parâmetros e se há alteração do estado do simulador. Este teste permitiu: a mudança de estado do VANT, a decolagem do VANT a partir do aumento da aceleração dos motores e o guiamento do VANT a partir de uma sequência pré-definida de comandos de rolagem, guinada e arfagem. 3. Resultados e Discussão Para o primeiro teste foi desenvolvida uma aplicação em C que possui um processo interativo onde é feito, em cada ciclo, o envio de uma mensagem HEARTBEAT, para manter ativa a comunicação entre os dispositivos, e o recebimento das demais mensagens. A freqüência de envio do HEARTBEAT foi de 1Hz, suficiente para a manutenção da comunicação com o simulador. Para cada mensagem recebida é verificado o seu tipo e, se for uma mensagem conhecida, imprime-se o conteúdo da mensagem, caso contrário, registra-se o recebimento de uma mensagem não tratada. Para que a comunicação entre a aplicação e o MAVProxy fosse estabelecida, foi necessária a realização de conexão UDP entre eles. Para isso, foram utilizados sockets. A Fig. 4 apresenta a imagem da tela de saída da aplicação desenvolvida. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

143 143 Fig. 4. Saída da aplicação desenvolvida. Os resultados foram positivos, pois foi possível observar que todas as mensagens que foram tratadas foram interpretadas corretamente, sendo possível a obtenção dos parâmetros que cada mensagem fornece, como posição, proa, velocidade dos motores e etc. Após o primeiro teste ter sido efetuado, foi realizado o teste de envio de dados do RPI para o simulador. Para verificar se o simulador estava recebendo corretamente os comandos, foi observada a janela de visualização do próprio simulador e a saída da aplicação desenvolvida no primeiro teste, a qual ficou monitorando o estado do VANT simulado. A Fig. 5 apresenta uma imagem do visualizador do simulador, onde é possível identificar a trajetória realizada pelo VANT. Essa trajetória foi obtida pelo envio de comandos de arfagem e guinada simultaneamente. Para análise posterior dos dados, foi criada uma aplicação que armazena em um arquivo de texto (log), os dados enviados do APM para o RPI. Esta aplicação pode ser embarcada no VANT mesmo que o mesmo seja controla via rádio controle. O registro embarcado dos dados permite que mesmo com a perda de conexão com a Estação de Controle de Solo seja possível avaliar a situação do VANT a cada instante. 4. Conclusões Através dos testes realizados com protocolo MAVLINK foi possível verificar a viabilidade do monitoramento dos parâmetros de voo e o envio de comandos para o VANT. O protocolo fornece recursos suficientes para controlar o VANT através de comandos que emulam o rádio controle, permitindo, dessa forma, que um computador embarcado controle o VANT. Há promissoras aplicações do protocolo MAVLINK. O protocolo pode ser usado para a comunicação e para a cooperação entre VANTs na realização de tarefas comuns como, por exemplo, o apoio em operações de distribuição de suprimentos para vítimas de desastres ambientais. Fig. 5. Trajetória realizada pelo VANT no simulador. Agradecimentos Agradeço ao CNPq pela bolsa concedida, aos meus orientadores Márcia Rodrigues, Vitor Gomes e Felipe Leonardo pela fantástica orientação ao longo do projeto. Aos meus pais pelo apoio e suporte dados até aqui. Referências J. L. SANCHEZ-LOPES et al. An approach toward visual autonomous ship board landing of a VTOL UAV. Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 74, p , D. LEE; T. RYAN; H. J. KIM. Autonomous landing of a VTOL UAV on a moving platform using image-based visual servoing. IEEE International Conference on Robotics and Automation, Saint Paul, Minnesota, USA, p , DROBOTCS. APM Autopilot Suite. Disponível em: <http://ardupilot.com>. Acessado em: 14 de novembro de UPTON, E. E HALFACREE, G. Raspberry Pi User Guide. Wiley, pp. 248, RASPBERRY PI FOUNDATION. Raspberry PI. Disponível em <http://www.raspberrypi.org>. Acessado em: 14 de novembro de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

144 144 THOMPSON, M.; GREEN, P. Raspbian. Disponível em: <http://www.raspbian.org>. Acessado em: 14 de novembro de FREE SOFTWARE FOUNDATION. GCC - GNU C Compiler. Disponível em: <https://gcc.gnu.org>. Acessado em: 14 de novembro de MEIER, L. Micro Air Vehicle Message Marshalling Library. Disponível em: <https://github.com/mavlink/mavlink>. Acessado em: 14 de novembro de TRIDGELL, A. A UAV ground station software package for MAVLink based systems. Disponível em: <http://tridge.github.io/mavproxy> Acessado em: 25 de janeiro de DROBOTCS1. Setting up SITL on Linux. Disponível em: <http://dev.ardupilot.com/wiki/simulation-2/sitlsimulator-software-in-the-loop/setting-up-sitl-onlinux>. Acessado em 14 de novembro de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

145 145 ANÁLISE DE REFLEXÃO EM MEDIDAS DE RESPONSIVIDADE INTEGRAL R. C. Lopes 1,2, A. B. P. Bizarria 2, T. G. Santos 1,2, R. Balena 1,2, G. S. Vieira 3* Projeto: INCT - Nanodispositivos Semicondutores. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. 2 Universidade Federal de São Paulo, São José dos Campos- SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho apresenta o início de uma séria de investigações sitemáticas, que visam documentar a confiabilidade e reprodutibilidade das medidas de responsividade integral de sensores de infravermelhos efetuadas no LaRaC (Laboratório de Radiometria e Caracterização de Sensores Eletro-ópticos). Um dos fatores que afetam a confiabilidade e reprodutibilidade das medidas é a reflexão da luz originária do corpo negro em outros elementos do sistema. Para isso foi executado o procedimento de medida de responsividade integral com um sensor piroelétrico padrão. Tais medidas foram realizadas sem e com uma barreira, que visa evitar a incidência de radiação refletida no sensor em teste. Palavras-chave: Reflexão, Responsividade integral, Caracterização eletro-óptica. 1. Introdução Sensores de infravermelho são de grande interesse estratégico em diversas áreas relevantes para o país. Suas aplicações abrangem: o agronegócio, para detecção prematura de ação de pragas e/ou deficiência de irrigação em grandes áreas plantadas; o monitoramento ambiental, para monitoramento de florestas, localização de acampamentos ilegais, dentre outros; a segurança do tráfego aéreo, para orientação de voo em condições climáticas desfavoráveis; comunicações ópticas no espaço livre; sistemas de visão noturna para nossas forças armadas e para segurança civil; a detecção de componentes tóxicos em misturas gasosas, para o monitoramento de instalações industriais, petrolíferas e de mineração; a geração de imagens térmicas que facilitam a identificação da necessidade de manutenção em instalações industriais e de problemas em linhas de transmissão de energia elétrica, além do importante papel na área de saúde, dentro outros, para identificar a ocorrência de câncer de pele e de mama (Alves, 2009). Dentre as atividades da pesquisa para desenvolvimento de sensores de infravermelho, a caracterização do dispositivo é fundamental para avaliar o desempenho deste. As caracterizações eletro-ópticas constituem de conjuntos de medidas onde observamos a resposta elétrica do sensor à incidência de radiação infravermelha conhecida. Tais medidas nos fornecem a responsividade do sensor, em sua forma integral ou espectral. A responsividade é definida como a razão do sinal elétrico gerado pelo sensor, em corrente elétrica ou tensão elétrica, pela potência óptica incidente neste (Boschetti, 2002). Esta grandeza expressa a capacidade do sensor em transformar a potência de radiação incidente em sinal elétrico. A responsividade pode ser obtida através de uma medida integral, com incidência de radiação policromática proveniente de um corpo negro a dada temperatura, ou espectral, com radiação monocromática proveniente da saída de um monocromador com uma fonte policromática que emita na região do infravermelho na entrada. Em medidas anteriores de responsividade integral, observou-se variação nos valores de responsividade obtidos em configurações distintas do sistema, mas que deveriam, a princípio, gerar o mesmo resultado. Um dos fatores que podem influenciar e produzir tais variações é a reflexão da radiação proveniente do corpo negro em outros elementos da montagem ou do ambiente em Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

146 146 torno desta. Tais reflexões alteram de forma não controlada a intensidade radiação incidente no sensor, gerando erro na determinação da responsividade. Com isso, torna-se necessário investigar os principais pontos de reflexão e o impacto dessas reflexões no valor obtido para a responsividade, e a eficácia das medidas empreendidas para reduzir essas reflexões. 2. Metodologia Os equipamentos envolvidos no experimento de medida de responsividade integral foram: um corpo negro de cavidade, como fonte de radiação policromática conhecida, com modulador mecânico acoplado; um amplificador lock-in para leitura do sinal proveniente do sensor; e um sensor piroelétrico padrão. O sensor foi fixado na mesa óptica. O centro da janela óptica do sensor foi alinhado com o centro da abertura do corpo negro, para garantir a eficiência da irradiação do sensor pelo corpo negro. Após o alinhamento do detector o corpo negro foi posicionado a uma distância inicial de (31,5±0.2) cm em relação ao sensor. O corpo negro foi ajustado para uma temperatura de 900 K, com frequência do modulador mecânico de 40 Hz. As medidas foram realizadas variando-se a distância entre o corpo negro e o detector com passos de 10,0 cm até a posição final de 121,5 cm num total de 10 posições. Para cada posição foram realizadas medidas variando-se as aberturas do corpo negro. Foram analisadas três aberturas: 9,5 mm, 12,7 mm e 15,9 mm. As medições de todas as distâncias para todas as aberturas foram feitas sem e com barreira. A barreira utilizada foi fabricada no próprio instituto em alumínio com uma abertura circular de 5 mm de diâmetro na frente, com um lado escareado nessa abertura, virado para o sensor. Essa barreira foi utilizada visando bloquer os caminhos entre as principais reflexões e o sensor. O posicionamento da barreira pode ser visto na Fig. 1. Fig 1. Arranjo experimental utilizando barreira para evitar possíveis reflexões. 2.1 Aquisição e análise dos dados O sinal lido pelo amplificador lock-in gera um ponto (x i, y i ) em cada medida, que representa um fasor da medida do sinal elétrico detectado. O amplificador lock-in foi ajustado com sensibilidade igual a 100mV e tempo de integração igual a 1s. Os resultados obtidos foram convertidos de mv para Ampere utilizando o fator de ganho interno do sensor determinando-se o valor da fotocorrente medida. Essa conversão se deu dividindo cada valor obtido na aquisição de dados pelo fator 1,0e9 V/A. A média do sinal fotogerado obtido foi calculada de dois modos diferentes: um levando em conta a média do módulo do fasor usando a Eq (1), e outra usando a média de suas componentes pela a Eq (2). Estas duas médias foram denominadas de média escalar e média vetorial respectivamente. (1) (2) (3) Para determinar a responsividade integral, além de efetuar a medida do sinal fotogerado pelo detector, também é necessário determinar a potência óptica incidente no sensor em cada caso, este cálculo foi realizado utilizando a Eq (3) (Boschetti, 2002). Sendo σ a constante de Stefan- Boltzmann, F m o fator de modulação do modulador mecânico, T j, o coeficiente de transmissão da janela, T BB a temperatura do Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

147 147 corpo negro, A cn a área da abertura do corpo negro, d a distância entre o corpo negro e o sensor, e A d a área efetiva do sensor. 3. Resultados e Discussão Os gráficos das Fig. 2 e 3 apresentaram um decaimento monotônico com a distância. responsividade integrais calculados para as medidas com e sem barreira. Fig. 4. Responsividade Integral em função da distância entre corpo negro e o detector, medida sem barreira. Fig. 2. Sinal fotogerado em função da distância entre o detector e corpo negro, com abertura de 9,5 mm, 12,7 mm e 15,9 mm, sem barreira, utilizando médias vetorial e escalar. Fig. 3. Sinal fotogerado em função da distância entre o detector e Corpo Negro, para as aberturas de 9,5 mm, 12,7 mm e 15,9 mm, com barreira, utilizando médias vetorial e escalar. No gráfico da Fig. 3, são apresentados os resultados das medidas utilizando a barreira para bloqueio da radiação, estes resultados apresentaram valores abaixo dos obtidos nas medidas da Fig. 2, o que é esperado, visto que foi utilizada a barreira para bloquear a radiação refletida, diminuindo assim o valor da potência incidente. Nos gráficos das Fig. 4 e 5 estão ilustrados os valores de Fig. 5. Responsividade Integral pela potência incidente. Abertura de 12,7 mm, com e sem barreira. Nos gráficos é possível notar que o valor determinado diminui com a distância entre corpo negro e detector. É esperado um resultado independente da distância, se considerarmos desprezível a absorção atmosférica. Nas duas medidas é possível notar que comportamento geral de decaimento da responsividade com o aumento da distância entre o corpo negro e o detector é similar, com uma queda mais acentuada para as menores distâncias e um comportamento mais constante para distâncias maiores. 4. Conclusões Os resultados obtidos de responsividade integral do sensor piroelétrico padrão com e sem barreira mostraram que a medida sem barreira é maior do que a responsividade Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

148 148 com barreira, a influência das reflexões nos resultados obtidos. Vale observar que em medidas de dispositivos como QWIPS, por exemplo, que são realizadas com a amostra armazenada em um criostato existe a possibilidade de termos reflexões em partes do criostato. Essas reflexões não serão identificadas com experimentos que utilizam apenas o sensor piroelétrico padrão. Agradecimentos Ao apoio financeiro da FINEP, projeto PDSENDN/ ; do CNPq, projetos INCT DISSE e AEB559908/2010-5, e bolsas de Iniciação Científica e de Produtividade em Desenvolvimento Tecnológico e Extensão Inovadora; e da CAPES, bolsas dos alunos de pósgraduação. Os autores também agradecem a colaboração do coordenador do LaRaC, Ruy Morgado de Castro, e aos funcionários da SUTEC pela presteza. Referências ALVES, K. A. Caracterização de fotodetectores de infravermelho a poços quânticos f. Tese de Mestrado - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. BOSCHETTI, C. Detectores de infravermelho: princípios e caracterização. São José dos Campos: LAS-INPE, Apostila do curso de Ciências de Materiais Experimentais. SANTOS, T. G. et al. Precision and assuracy in the measurement os responsivity. In: Symposium on Microelectronics Technology and Device, 29, 2014, Aracaju. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

149 149 ANALYSIS OF THE CASIMIR FORCE IN A SILICON NANO-OPTO- MECHANICAL DEVICE J. R. Rodrigues 1,2*, F. S. S. Rosa 3, V.R. Almeida 1,2 Projeto: Fotônica Integrada em Silício. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica - São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados São José dos Campos SP. 3 Universidade Federal do Rio de Janeiro Rio de Janeiro RJ. Abstract We show how the Casimir force affects a silicon Nano-Opto-Electro-Mechanical System (NOEMS) based on slot-waveguides driven by optical forces, changing its critical points of stability and establishing larger design parameters to the device. Keywords: Silicon photonics, Slotwaveguide, NOEMS, Optical force, Casimir force. 1. Introduction Slot-waveguides are channel-type highindex contrast optical structures that present a slot filled with low-index material or even void (Almeida, 2004). Its unique optical properties have arisen continued interest from several research groups, widening its range of applications. On the other hand, optical forces have led researchers to pursue several novel and useful mechanisms and applications (Almeida, ; Eichenfield, 2007; Li, ), based on all-optical and/or electrooptical control approaches; some applications may be enabled by turning the slot-waveguide into a Nano-Opto-Electro-Mechanical System (NOEMS) device (Cai, 2011; van Acoleyen, 2012), based on an all-optical pump-probe method. However, in the nanometer range, van der Waals and Casimir forces are the dominant interactions between uncharged materials, which may cause problems such as stiction, leading to collapse and adhesion between movable parts during the fabrication process. In spite of this, such forces may be used to control and actuate NOEMS. In this work, we describe an analysis of the influence of the Casimir force on a slot-based NOEMS device. 2.1 Optical force Povinelli et al. (2005) have shown that slot-waveguides experience forces between its two half-sides, which are due to the dipole moments induced by the guided light intensity; such forces may be either attractive or repulsive, depending on the phase of the dipoles, dictated by the optical properties and the geometrical parameters of the waveguide. A suspended section of a slot-waveguide, deprived from cladding, thus may experience significant mechanical deformation. The optical force (F opt ) between waveguides can be calculated directly from the dispersion diagram of the waveguide (Povinelli, 2005), and expressed through the derivative of the effective index n eff with respect to the gap distance, g. F opt 1 dneff ( g, P) PL, (1) c dg where P is the total power transmitted through the slot-waveguide of length L, is the angular frequency, and c is the speed of light in vacuum. 2.2 Casimir force The Casimir force arises from quantum fluctuations of the electromagnetic field. Casimir predicted an attractive force between two electrically neutral and perfectly parallel half-spaces formed by ideal conductors, separated with a very small distance in vacuum and at zero temperature (Casimir, 1948). Shortly after, Lifshitz has expanded the theory to consider dielectric materials, separated by any material, at nonzero temperature. The Lifshitz theory was firstly derived using fluctuation of electromagnetic field and dissipation properties of plate materials, described in terms of their frequency-dependent dielectric Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

150 150 permittivities. Nowadays, it is derived in the framework of thermal quantum field theory in the Matsubara formulation. This theory describes the interaction in a wide range of distances, covering both van der Waals (non-retarded) and the Casimir (retarded) regimes (Lifshitz, 1980). Gusso and Delben (2008) have proposed an alternative way to express the Lifshitz force (F Cas ), in terms of the Casimir force between two dielectric plates, separated by a gap distance g, which is given by 2 c A F Cas ( g) ( g), (2) g where ћ is the Planck constant divided by 2π, A is the area of the plates, and η(g) is the distance-dependent finite conductivity correction factor, which depends on the dielectric permittivities of the plates and medium between them. The distance dependency was introduced in order to also take into account very small distances, where the Casimir force, which scales as g - 4, tends to the van der Waals force, which scales as g -3. Therefore, Eq. (2) covers both force regimes (Lifshitz, 1980; Rodriguez, 2015). Besides that, the influence of the temperature T is negligible, since the condition of g << cћ/k B T is satisfied, where k B is the Boltzmann constant. At room temperature (T = 300 K) this case applies, since it has to obey g << 7.5 μm (Lifshitz, 1980). 2.3 NOEMS device We have considered a three-dimensional slot-waveguide structure formed by two suspended silicon waveguides (n Si = 3.48) surrounded by air (n 0 = 1), and a wavelength of λ 0 = 1550 nm, as shown in Fig 1. The slot-structure has a length L = 50 m, width of w = 240 nm, and height h = 280 nm. The same structural dimensions were used in (Almeida, 2009). The waveguides are fixed at their ends forming a movable structure of two parallel double-clamped beams, separated by an initial distance of g o = 65 nm. The deformation distributions δ, in the y direction, along the waveguide direction x, can be obtained through the Euler-Bernoulli beam equation for distributed loads, 4 d ( x) Fopt ( g( x)) FCas ( g( x)) EI, (3) 4 dx L L where E is the Young's Modulus and I is the moment of inertia given by I = hw 3 /12. For monocrystalline intrinsic silicon, the Young's Modulus varies with respect to crystallographic direction; here we considered the waveguides oriented in [110] direction, where E = GPa. Due to the boundary conditions for the double-clamped beams, the deformation and the slope at both ends are equal to zero, i.e, δ(0) = δ'(0) = δ(l) = δ'(l) = 0. In addition to this, the maximum displacement occurs at the middle of the beams, thus δ max = δ(l/2). Fig. 1. Schematics of a slot-waveguide cross-section. Departing from an initial static equilibrium, the optical and Casimir forces along the waveguide length are constant, and the beams are subjected to uniformly distributed loads. However, as the beams start to deform, the forces become nonuniform distributed loads. The force distributions are related to the beam deformation g( x) g0 2 ( x). (4) Substituting Eq. (1), Eq. (2), and Eq. (4) into Eq. (3), leads us to the mechanical deformation of the slot-structure, as a function of both optical and Casimir forces. 3. Results and Discussion The dispersion diagram of structure as a function of the distance was calculated for the fundamental (symmetric) quasi-te eigenmode (which is more sensitive than the quasi-tm) using a full-vectorial finitedifference mode solver. Figure 1 shows a Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

151 151 comparison between the absolute Casimir Eq. (2) and optical forces Eq. (1), calculated for an optical power of P = 1.5 mw, as a function of the maximum deformation. At zero displacement, the Optical force is approximately 5 times larger than the Casimir. As the displacement increases, this difference decreases, reaching the same value for δ max = 15 nm. After this point, Casimir force becomes dominant. the two waveguide sides, due to the increasingly attractive forces. The Casimir and the optical force interactions with the structure were obtained by solving Eq. (3) through a finite element package, taking into account the load distribution variation along the beam length due to its own displacement Eq. (4). As the optical power (displacement) increases to the critical point, the pull-in initiates causing the waveguide to collapse, as seen in Fig. 3. Fig. 2. Comparison between the absolute Casimir and optical forces. The Casimir force was derived for two parallel plates; however, when the waveguides start to deform this condition is violated. Furthermore, Casimir forces are not additive. In spite of that, we have considered a small angle between the clamped part and the middle of the beam (slope), compared to the beam length, so the local parallel plates approximation leads to a very good result (Serry, 1998). The same approach has been used in Proximity Force Approximation (PFA), in order to calculate Casimir force between planes and spheres (Rodriguez, 2015). The slot-structure is initially at static equilibrium. By applying an optical power, the structure changes its equilibrium distribution, due to the attractive optical force. As the optical power increases, the combined Casimir and optical force reach an equilibrium solution with the elastic force. This happens up to certain value of optical power, after what this optical force and its respective displacement attain a critical point. Before this critical point, the system is stable so we have a restoring force. However, beyond this point, the system becomes unstable, causing the collapse of Fig. 3. Influence of the Casimir force on the critical point, for g o = 65 nm. Figure 3 shows that, when Casimir force is taken into account, the critical point is reduced significantly from 2.05 mw (19.14 nm) to 0.95 mw (11.99 nm). Besides, even in the absence of optical power, Casimir force causes changes in the initial equilibrium position of the structure, with a maximum displacement of 1.74 nm, as shown in Fig. 3. For shorter initial distances, this discrepancy in the equilibrium position of the structure can generate a maximum displacement larger than the critical distance, causing its collapse. Therefore, Casimir force creates a fundamental limitation to the initial gap distance. The critical optical power as a function of the initial gap distance is presented in Fig. 4. Fig. 4. Influence of the initial gap distance on the critical power. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

152 152 From Fig. 4, it can be seen that, as expected, the critical power decreases as the distance decreases. The dependence of the critical power with the initial distance for a certain value for the optical force is highly nonlinear, as was pointed out in (Almeida, 2009). The influence of the Casimir force on the critical powers increases as the distance decreases; at an initial distance of g o = 53 nm, the structure becomes unstable even in the absence of optical power, causing its collapse. These results show that the proposed structure in Almeida and Panepucci (2009), with an initial distance of g 0 = 50nm, is unstable and it will collapse, even for a null optical power, due to the influence of the Casimir force. In other words, Casimir force sets a lower limit to device design parameter g Conclusion The van der Waals and the Casimir forces play a fundamental role at nanometer scale. In this work, we analyzed quantitatively the Casimir force influence on a silicon NOEMS device based on slot-waveguide, driven by optical forces. We showed, through simulation results of the proposed structure, that the critical power changes from 2.05 mw to 0.95 mw, when Casimir force is taken into account. Furthermore, the minimal initial distance between these two waveguides is approximately 53 nm. The presented results provide appropriate values to accurately design such NOEMS devices. Acknowledgements The authors thanks the financial support of CAPES (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior). References ALMEIDA, V. R. et al. Guiding and confining light in void nanostructure, Opt. Lett., vol. 29, pp , ALMEIDA, V. R. and PANEPUCCI, R. R. Silicon Slot-Waveguide as NOEMS Photonic Platform, in Proceedings of the Frontiers in Optics 2006 Conference, FThK2, ALMEIDA, V. R. and PANEPUCCI, R. R. Nano- Opto-Electro-Mechanical devices based on Silicon Slot-Waveguides Structures, in Proceedings of International Microwave & Optoelectronics Conference - IMOC 2009, CAI, H. et al. Nano-Opto-Mechanical Linear Actuator Utilizing Gradient Optical Force, in Proceedings of Transducers 11, CASIMIR, H. B. G. On the attraction between two perfectly conducting plates, Proc. K. Ned. Akad. Wet., vol. 51, pp , EICHENFIELD, M. et al. Actuation of microoptomechanical systems via cavity-enhanced optical dipole forces, Nature Photonics, v. 1, n. 7, pp , GUSSO, A. and DELBEN, G. J. Dispersion force for materials relevant for micro- and nanodevices fabrication, J. Phys. D: Appl. Phys, vol. 41, n. 17, LI, M. et al. Harnessing optical forces in integrated photonic circuits, Nature, v. 456, n. 7221, pp , LI, M.; Pernice, W. H. P. and Tang, H. X. Tunable bipolar optical interactions between guided lightwaves, Nature Photonics, v. 3, n. 8, pp , LIFSHITZ, E. M. and PITAEVSKII, L. P. Statistical Physics: Part 2_Pergamon, Oxford, POVINELLI, M. L. et. al., "Evanescent-Wave Bonding between Optical Waveguides", Opt. Lett., vol. 30, pp , RODRIGUES, A. W. et al. Classical and fluctuation-induced electromagnetic interactions in micron-scale systems: designer bonding, antibonding, and Casimir forces, Ann. Phys. (Berlin) 527, n. 1 2, pp , SERRY, F. M.; WALLISER, D., and MACLAY, G. J. The role of the Casimir effect in the static deformation and stiction of membrane strips in microelectromechanical systems (MEMS), Journal of Applied Physics, vol. 84, pp , VAN ACOLEYEN, K. et al. Ultracompact Phase Modulator Based on a Cascade of NEMS-Operated Slot Waveguides Fabricated in Silicon-on-Insulator, IEEE Photonics, v. 4, n. 3, pp , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

153 153 APLICAÇÃO DE ABORDAGENS AUTOCONSISTENTES PARA SIMULAÇÃO DE QWIPs D. D. Almeida 1,2*, N. M. Abe 1, A. Passaro 1 Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais (Edital 033/2010 AEB/ CNPq Processo n /2010-5) e INCT-DISSE. 1 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. Resumo Apresentamos a aplicação de um cálculo autoconsistente no estudo computacional de Fotodetectores de Infravermelho a Poços Quânticos (QWIPs), cuja característica de interesse é permitir determinar a distribuição não homogênea do campo elétrico ao longo da nanoestrutura semicondutora. A máquina de cálculo implementada foi integrada ao software QWS, ferramenta computacional desenvolvida no IEAv para simulação e análise de dispositivos semicondutores baseados em poços quânticos. Palavras-chave: QWIPs, Cálculo autoconsistente, Campo elétrico heterogêneo. 1. Introdução QWIPs são nanoestruturas obtidas pelo crescimento epitaxial de materiais semicondutores com energia de gap distintas, o que origina um poço de potencial perpendicular à direção de crescimento, no interior do qual é possível encontrar elétrons confinados em bandas de energia discretas (Levine, 1993). Tais dispositivos têm ganhado crescente destaque desde o final da década de 80 por vários motivos, dentre os quais podemos citar o uso de compostos da família III-V, cuja tecnologia de processamento apresenta alto grau de maturidade; por apresentarem facilidade na obtenção de matrizes com grande número de sensores com elevada homogeneidade; por permitirem a detecção de radiação em variadas faixas do espectro infravermelho; e por apresentarem considerável seletividade que pode ser ajustada de acordo com os parâmetros adotados para sua construção (Liu e Capasso, 2000). Embora já tenha sido reportado na literatura o comportamento não uniforme da distribuição do campo elétrico ao longo de nanoestruturas semicondutoras e a variação da concentração de elétrons nos poços em fotodetectores baseados em múltiplos poços quânticos (Ershov et al., 1995; Schneider e Liu, 2007; Shadrin e Mitin, 1995), os modelos matemáticos para simulação de QWIPs em uso corrente baseiam-se em uma aproximação que adota o campo elétrico e a concentração de elétrons nos poços como constantes ao longo da estrutura simulada, impondo uma condição de uniformidade no que diz respeito ao fluxo de elétrons capturados e emitidos em cada poço, em toda a estrutura (Levine, 1993; Liu et al., 1993; Gomez et al., 2008; Lhuillier et al., 2009). O modelo matemático apresentado em Thibaudeau et al. (1996), por sua vez, permite determinar uma distribuição não homogênea do campo elétrico ao longo da nanoestrutura semicondutora simulada, comportamento este que implica na determinação da variação da energia de Fermi e da concentração de elétrons nos poços. O software Quantum Well Solver (QWS), desenvolvido no Laboratório de Engenharia Virtual / Instituto de Estudos Avançados (LEV/IEAv), no contexto do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Nanodispositivos Semicondutores (INCT- DISSE), está inserido no âmbito de pesquisas em simulações computacionais de nanoestruturas semicondutoras (Tanaka et al. 2007; Tanaka et al. 2013). Desenvolvido em linguagem C++ e fazendo uso do paradigma de programação orientada a objetos, o QWS permite a modelagem geométrica e a especificação das propriedades físicas de estruturas a poços quânticos, e utiliza uma abordagem Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

154 154 autoconsistente que faz uso do Método dos Elementos Finitos para resolução da equação de Schroedinger, para o cálculo da estrutura eletrônica dos poços quânticos, e da equação de Poisson, para o cálculo da energia potencial relativa dos portadores de carga. Atualmente o QWS permite calcular a corrente de escuro para QWIPs fazendo uso de modelos homogêneos que consideram as emissões termiônicas de carga provenientes dos poços, os tunelamentos termicamente assistidos, e também os tunelamentos sequenciais (Levine, 1993; Gomez et al., 2008). Neste trabalho são apresentados os resultados da implementação do modelo matemático autoconsistente para cálculo da corrente de escuro apresentado por Thibaudeau et al. (1996), e a aplicação em uma amostra projetada, crescida e processada no âmbito do INCT-DISSE. Esta implementação foi realizada de forma integrada ao QWS. A seguir é apresentada a formulação matemática utilizada. 2. Materiais e Métodos Tomando uma nanoestrutura baseada em múltiplos poços quânticos, e, assumindo que a densidade de corrente (J) que flui através do dispositivo é igual àquela injetada pelo contato (J inj ), de acordo com a Lei da Conservação da Corrente, o número de elétrons provenientes da banda de condução capturados em dado poço (J cap ), é equivalente ao número de elétrons emitidos desse poço (J em ), Fig. 1. Em condições de escuro, ou seja, sem a incidência de fótons na estrutura, a corrente fluindo no dispositivo (J dark ) é equivalente à corrente injetada nos contatos. De acordo com o modelo apresentado por Thibaudeau et al. (1996), o cálculo da corrente de escuro consiste em determinar a corrente injetada por um dado campo elétrico na primeira barreira (F 0 ), e então, calcular de modo autoconsistente para cada poço, as equações de balanço de cargas, Eq. (1), e da Lei de Gauss, Eq. (2): pc( Fi ) Jinj( F0 ) Jth( i, Fi 1) (1) Fig. 1. Balanço de cargas em um poço quântico. Fonte: adaptado de Thibaudeau et al. (1996). r F F (2) i s 0 q i1 sendo, p c a probabilidade de elétrons provenientes da banda de condução serem capturados em dado poço, i o índice do poço e/ou barreira, ρ s e ρ i as densidades de elétrons inicial e no poço i, respectivamente, 0 e r as permissividades do vácuo e do material, respectivamente, e q a carga elétrica. A corrente injetada pode ser calculada pela expressão: * qmbkbt Jinj T ( Ez, F ) Ec Ez E ( Fc) 1 exp kbt ln dez ( Ez EFw ef LB 0 0 ) 1 exp kbt i (3) na qual, E z é a energia do elétron perpendicular às camadas, E c é o fundo da banda de condução do poço, E Fc e E Fw são as energia de Fermi do contato e do poço, respectivamente, L B é a largura da barreira, e T(E z, F 0 ) é a probabilidade de tunelamento através da barreira, que pode ser calculada usando uma aproximação Wentzel-Kramers- Brilhouin (WKB). A corrente formada pelos elétrons termicamente excitados de cada poço leva em consideração a não homogeneidade do campo elétrico ao longo da estrutura, e é dada por: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

155 155 qm * BkBT Jth T( Ez, Fi ) E1 Ez EFwi 1 exp (4) kbt ln dez Ez EFwi efi LB exp kbt sendo, E 1 a energia do estado fundamental. No modelo apresentado, a altura da barreira (E B ) e a massa efetiva dos elétrons * nas barreiras ( m B ) são diretamente dependentes do valor da fração de Alumínio (x) presente nas ligas que formam as barreiras, e são calculadas respectivamente, como: E B 0, 836x (5) * m B 0,067 0, 083x (6) No trabalho de Thibaudeau et al. (1996) são apresentados resultados para o cálculo de p c em função do campo elétrico aplicado, e argumentam que tal probabilidade é melhor representada por uma expressão empírica que pode ser escrita como: p c ( F) uexp v/( F w) (7) sendo u, v e w parâmetros ajustáveis. Lembrando que a probabilidade de captura teórica pode ser escrita, de acordo com (Rosencher et al. 1994), como: c vcap vd p (8) na qual, v cap é a velocidade de captura, e v d a velocidade de deriva, calculadas respectivamente pelas expressões: vd L v w cap c 1 2 F F 1 vsat (9) (10) sendo, L W a largura do poço, c o tempo médio de captura de elétrons livres pelos poços, μ a mobilidade dos portadores de carga, e v sat a velocidade de saturação do elétron. A soma da contribuição do campo elétrico de todos os N períodos (poço+ barreira) deve ser, portanto, igual à tensão total aplicada a estrutura, ou seja: N ( ) LB LW Fi LBFN 1 i1 V (11) 3. Resultados e Discussão Para fins de validação da implementação foi realizado o cálculo da corrente de escuro de amostras apresentadas por Thibaudeau et al. (1996) e a comparação com os resultados calculados e experimentais apresentados em tal referência. Tais amostras são identificadas neste trabalho como A e B. Os resultados do cálculo de corrente de escuro implementado foram comparados com medidas experimentais realizadas em amostra projetada com uso do QWS e crescida no INCT-DISSE (Fernandes, 2013). Tal amostra é identificada neste trabalho como C. Os parâmetros de projetos das amostras simuladas são exibidos na Tab. 1. Foi adotado o uso da expressão teórica, Eq. (8), para o cálculo de p c, sendo utilizados valores de v cap, v sat, e μ, conforme apresentados nas Tab. 2 e 3. Os valores utilizados nos Testes I e III (Tab. 2) permitiram obter curvas de p c teórica em bom acordo com as curvas empíricas utilizadas por Thibaudeau et al. (1996) para o cálculo das amostras A e B, respectivamente. Tab. 1. Parâmetros de projeto das amostras calculadas. Amostra N L B [Å] L W [Å] x [%] s [cm -2 ] N d [cm -3 ] [ m] T [K] A ,3 1,8x ,7x ,5 77 B ,0 1,4x ,5x ,2 80 C ,5 20,5 5,65x ,4 x ,3 60; 70; 80 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

156 156 Tab. 2. Valores adotados para o cálculo de p c teórico para as amostras A e B. Teste µ [cm 2.V -1.s -1 ] v sat [cm.s -1 ] V cap [cm.s -1 ] I 1,2x10 3 5,3x10 6 4,5x10 5 II 1,2x10 3 6,0x10 6 4,5x10 5 III 1,4x10 3 9,5x10 6 8,0x10 5 Na Fig. 3 são exibidas as curvas de densidade de corrente de escuro, calculada e experimental, apresentadas em Thibaudeau et al. (1996) para a amostra A, indicadas como MNH (Modelo Não Homogêneo), e as curvas calculadas para a mesma amostra com uso dos valores apresentados na Tab.2, Testes I e II. Thibaudeau et al. (1996) para os intervalos de Tensão de 0,15 a 0,6 e de 1,1 a 5,0 V, apesar de haver uma ligeira divergência entre tais curvas para intervalo de Tensão de 0,6 a 1,1 V. Nas Figs. 4 e 5 são exibidas a distribuição de campo elétrico nas barreiras e o perfil da concentração de elétrons nos poços para a amostra A, respectivamente. Fig. 4. Distribuição de Campo Elétrico. Fig. 3. Corrente de escuro. A divergência entre a curva de densidade de corrente de escuro calculada por Thibaudeau et al. (1996), indicada como MNH(Calculado), e aquela calculada com uso dos valores utilizados no Teste I (Tab. 2), podem ser provenientes de divergências entre os modelos adotados para o cálculo dos níveis de energia, E 1 e E 2, no interior dos poços, e das energias de Fermi do contato, E Fw, e dos poços, E Fc, visto que o QWS faz uso dos parâmetros e modelos apresentados em Vurgaftman et al. (2001), enquanto Thibaudeau et al. (1996) não cita os valores utilizados. Os valores utilizados no Teste II (Tab. 2) permitiram a obtenção de uma curva de densidade de corrente de escuro em excelente acordo com aquela calculada por Fig. 5. Perfil da Concentração de elétrons. A não homogeneidade da distribuição do campo elétrico é proeminente nas cinco primeiras barreiras, sendo que, a partir de tal barreira, há uma forte tendência à homogeneidade, comportamento este que se encontra em acordo com os resultados apresentados em Thibaudeau et al. (1996). A variação na concentração de elétrons ocorre nos poços formados pelas barreiras da região em que a não homogeneidade do campo elétrico é mais intensa. Na Fig. 6 são exibidas as curvas de densidade de corrente de escuro, calculada e experimental, apresentadas por Thibaudeau et al. (1996) para a amostra B, indicadas Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

157 157 como MNH (Modelo Não Homogêneo), e a curva calculada para a mesma amostra com uso dos valores apresentados na Tab.2, Teste III. De acordo com Thibaudeau et al. (1996) a não uniformidade do campo elétrico é mais influente em estruturas com menor número de períodos, o que fica evidente nos resultados apresentados, dada a concordância entre os valores calculados e os experimentais. considerando parâmetros de projeto e dados experimentais dessa amostra. Fig. 7. Distribuição de Campo Elétrico. Fig. 6. Densidade de corrente de escuro. A curva de densidade de corrente de escuro calculada com uso dos valores indicados na Tab.2, Teste III, apresenta características semelhantes às da curva da referência, apesar de apresentar valores sistematicamente menores. Nas Figs. 7 e 8, são exibidas a distribuição de campo elétrico nas barreiras e o perfil da concentração de elétrons nos poços para a amostra B, respectivamente. A não homogeneidade no comportamento de tais grandezas se estende por aproximadamente 50% do comprimento da estrutura. Para o cálculo de p c teórico para amostra C foram utilizados os valores de v cap, v sat, e μ, apresentados na Tab. 3, sendo os valores indicados como Teste T.1, T.2 e T.3, utilizados para a realização dos cálculos de densidade de corrente de escuro para temperaturas iguais a 60K, 70K, e 80K, respectivamente. Tais valores foram obtidos a partir de análise do cálculo efetuado Fig. 8. Perfil da Concentração de elétrons. Tab. 3. Valores adotados para o cálculo de p c teórico para a amostra C. Teste µ [cm 2.V -1.s -1 ] v sat [cm.s -1 ] V cap [cm.s -1 ] T.1 1,0x10 2 3,0x10 6 5,0x10 4 T.2 5,0x10 2 1,0x10 7 4,0x10 5 T.3 5,0x10 2 1,0x10 7 5,0x10 5 Na Fig. 9 são exibidas as curvas de densidade de corrente de escuro experimentais e calculadas para a amostra C, para três temperaturas. Embora haja bom acordo entre os dados experimentais e os calculados para tensões menores que 0,2 V e maiores que 2,0 V, são observadas divergências entre o comportamento das curvas calculadas e as experimentais no intervalo de Tensões entre 0,2 e 2,0 V. Tais divergências encontram-se sob análise. 4. Conclusões Os resultados obtidos pela aplicação do modelo autoconsistente implementado encontram-se em acordo com resultados Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

158 158 apresentados por Thibaudeau et al. (1996), Ershov et al. (1995) e Shadrin e Mitin (1995); e reproduziram bem resultados experimentais obtidos no INCT-DISSE. As divergências encontradas na comparação entre os resultados obtidos e aqueles apresentados por Thibaudeau et al. (1996) é devida, majoritariamente, à diferenças entre os modelos adotados no presente trabalho e aqueles adotados pela referência. Já as divergências encontradas na comparação entre os resultados obtidos e as medidas experimentais para a amostra C encontram-se em análise. Estão sob estudo o cálculo do ruído de Geração-Recombinação, o cálculo da fotocorrente, e a aplicação do modelo para simulação de estruturas não convencionais. Fig. 9. Densidades de corrente de escuro. Agradecimentos Aos pesquisadores e colaboradores do Laboratório de Engenharia Virtual (LEV/IEAv) pelo apoio e assistência. Ao Laboratório de Novos Materiais Semicondutores do Instituto de Física (LNMS-IF) da USP. D.D.A agradece ao CNPq pela bolsa DTI-C (380752/2013-1) e à CAPES. A.P. agradece ao CNPq, processo n: / Referências ANDREWS, S. R; MILLER, B. A. Experimental and theoretical studies of the performance of quantum-well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, v. 70, n. 2, p. 993, ERSHOV, M.; RYZHII, V.; HAMAGUCHI, C. Contact and distributed effects in quantum well infrared photodetectors. Applied Physics Letters, v. 67, n. 21, p , FERNANDES, F. M. Fotodetectores infravermelhos de alta eficiência baseados em poços quânticos crescidos por epitaxia de feixes moleculares. Tese de Doutorado. IF-USP-SP, GOMEZ, A.; BERGER, V.; VAULCHIER, L. De. Barrier breakdown in multiple quantum well structure. Applied Physics Letters, v. 92, p. 1 3, LEVINE, B. F. Quantum-well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, v. 74, n. 8, p. R1, LIU, H. C. et al. Dark current in quantum well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, v. 73, n. 4, p. 2029, LIU, H. C.; CAPASSO, F. Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and Device Aplications I. San Diego, CA, EUA.: Academic Press, ROSENCHER, E. et al. Emission and capture of electrons in multiquantum-well structures. IEEE Journal of Quantum Electronics, v. 30, n. 12, p , SCHNEIDER, H.; LIU, H. C. Quantum Well Infrared Photodetectors. Berlin: Springer, SHADRIN, V D; MITIN, V V. Photoconductive gain and generation-recombination noise in quantumwell photodetectors biased to strong electric field. Journal of Applied Physics, v. 78, n. 9, p , TANAKA, R. Y. et al. Software Tools for the Design and Analysis of Quantum Well, Quantum Wire and Quantum Dot Devices SBMO/IEEE MTT-S Int. Microw. Optoelectron. Conf., TANAKA, R. Y. et al. Computer program for analysis and design of nanostructured semiconductor devices SBMO/IEEE MTT-S Int. Microw. Optoelectron. Conf., THIBAUDEAU, L.; BOIS, P.; DUBOZ, J. Y. A self-consistent model for quantum well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, v. 79, n. 1, p , VURGAFTMAN, I.; MEYER, J. R.; RAM- MOHAN, L. R. Band parameters for III V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics, v. 89, n. 11, p. 5815, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

159 159 AVALIAÇÃO DE MECANISMOS REACIONAIS PARA SIMULAÇÃO 2D DE UM MOTOR DE DETONAÇÃO PULSADA (PDE) V. B. B. Rodrigues 1,3, E. C. Maciel 2,3, C. S. T. Marques 2,3* Projeto: Avaliação da Detonação Pulsada por Imagens de Emissão. 1 USP Engenharia Química Lorena SP. 2 ITA - PG-CTE, São José dos Campos SP. 3 IEAv Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo Atualmente, os PDE s vêm sendo estudados para voos de alta velocidade e acesso ao espaço. Simulação por CFD tem sido muito aplicada para reduzir o número de experimentos e o custo associado. Para uma melhor simulação 2D de um PDE idealizado, foram testados diferentes mecanismos esqueléticos com o objetivo de obter o mais semelhante ao mecanismo detalhado e, assim, reduzir o tempo computacional. Para tal, foram analisados o tempo de indução, o tempo de equilíbrio e os perfis temporais das frações molares de OH e H 2 O, obtidos pelo modelo 1D ZND. Os resultados mostraram que o mecanismo de Jachimowski é o mais adequado para acoplar ao programa de CFD KIVA. Palavras-chave: CFD, mecanismos, PDE. 1. Introdução O motor de detonação pulsada (PDE) tem sido objeto de intenso estudo em vários países nas últimas décadas, devido a sua capacidade de operar em regimes subsônicos, supersônicos e hipersônicos de voo, é de grande interesse para o ramo aeronáutico/aeroespacial (Kaisalath, 2003). O desenvolvimento do PDE é importante pelas vastas aplicações, podendo servir como sistemas de propulsão de forma hibrida ou isolada, sendo de grande interesse àqueles focados em voos de alta velocidade e acesso ao espaço (Lu, 2004). A necessidade por sistemas mais rápidos, mais eficientes e menos poluentes, também tem motivado novos conceitos de motores a jato para a aviação comercial, que incluem a integração de um dispositivo de detonação pulsada às turbinas, nas quais a câmara de combustão é substituída por um combustor de detonação pulsada (Giuliani, 2010). Existem ainda dificuldades tecnológicas intrínsecas para que esse tipo de dispositivo atinja o nível ideal de operação, sendo um dos grandes desafios a obtenção de uma detonação consistente e repetitiva. A dificuldade aumenta à medida que as dimensões do dispositivo diminuem a fim de que o peso do sistema seja minimizado (Lee, 2000). Embora a detonação seja considerada indesejada em motores tradicionais, ela é a base do conceito dos PDE s (Smirnov, 2014). Isso porque o ciclo com detonação, apresenta grandes vantagens em termos de eficiência, se comparado aos que operam com deflagração, como os ciclos Brayton, Otto e o Diesel (DARPA, 2008), característica essa favorável à economia de combustível e ganho de desempenho. Além disso, motores a hidrogênio são de suma importância do ponto de vista ambiental, pois não apresentam CO 2 nos produtos de combustão (Smirnov, 2014). Simulação por dinâmica de fluido computacional (CFD) é bastante aplicada para otimização e determinação dos parâmetros de operação do PDE, para validação de modelos cinéticos e de diagnóstico ópticos (Ebrahimi, 2002; Smirnov, 2014; Mével, 2014) Neste trabalho, foram avaliados mecanismos reacionais possíveis de se acoplar a programas de CFD para simulação 2D de um PDE. 2. Simulação 2D com o KIVA Para a simulação 2D por CFD de um PDE será utilizada, inicialmente, uma malha estruturada desenvolvida no True Grid. Foram elaborados dois modelos, sendo o primeiro (Figura 1a) a representação geométrica da seção longitudinal da câmara de combustão. No segundo (Figura 1b), Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

160 160 acoplou-se uma tubeira para que possa ser estudada a interação dos gases de saída com a mesma. (a) (Torres, 2006). Ademais, nas últimas versões o software supracitado estendeu sua aplicação à combustão supersônica e adotou um novo modelo de turbulência RNG k- O programa em questão utiliza uma metodologia Lagrangiana-Euleriana Arbitrária (ALE) para solucionar as equações de fluido-dinâmica com a parte reacional acoplada. A execução do programa depende dos dados de entrada com as condições do motor que será analisado (itape5), da malha na qual ocorrerá a discretização espacial do domínio (kiva4grid) e o arquivo que especifica o movimento das válvulas (itape18). Os arquivos de saída gerados serão utilizados no software de pós processamento VisIt (Figura 2). (b) Fig. 1. Malhas para o tubo de detonação e tubo de detonação com tubeira. O desenvolvimento da malha deu-se a partir de estudo prévio do fenômeno a ser analisado, razão pela qual se chegou à configuração detalhada nas figuras acima, onde há um estreitamento próximo às paredes para que o efeito da camada limite seja considerado. Há ainda um estreitamento longitudinal para que o modelo esteja apto a calcular, da melhor forma, as grandes variações dos parâmetros do escoamento, devido a uma transição deflagração detonação (DDT) e a condição de jump associada ao estado Chapman-Jouguet (CJ). O solver a ser utilizado na análise será o KIVA-4 que é um dos softwares mais utilizados para simulação de combustão atualmente. Nele é possível acoplar um mecanismo reacional para um número limitado de espécies e reações, devido ao tempo computacional e a armazenagem junto à simulação CFD. O KIVA-4 também conta com um recurso de malha adaptativa, em que são localizados os pontos de maior variação de parâmetros no escoamento e os mesmos passam por um refinamento automático em sua vizinhança para obtenção de melhores resultados Fig. 2. Diagrama do programa KIVA. Após a obtenção dos resultados, esses serão comparados com os dados de pressão e de imagens de emissão obtidos experimentalmente no sistema de detonação pulsada do IEAv. Com isso, poder-se-á validar o modelo em questão, de modo a desenvolver uma poderosa ferramenta de trabalho, uma vez que o modelo poderá gerar resultados coerentes, diminuindo a quantidade de experimentos e, consequentemente, o custo. E, ainda, validar o diagnóstico óptico aplicado. 3. Mecanismos reacionais de H 2 /ar Mecanismos cinéticos detalhados, além de serem extremamente complexos para inclusão em códigos de CFD para simulações 2D/3D, resultam em um tempo Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

161 161 computacional muito alto. Já mecanismos reacionais reduzidos são capazes de capturar os aspectos chaves dos processos de combustão e podem ser incluídos em programas de CFD para simulações multidimensionais com tempos aceitáveis de processamento (Gupta, 2011). Por outro lado, mecanismos esqueléticos, àqueles que apresentam o menor conjunto possível reacional capaz de adequadamente simular parâmetros de combustão, tais como tempos de atraso de ignição, concentração de espécies, velocidades de combustão, etc (Pitsch, 2005), são os que podem ser acoplados em praticamente todos os códigos CFD e os que resultam em menor tempo computacional de simulação. Para a verificação do mecanismo mais adequado para uma simulação 2D de um motor de detonação pulsada (PDE) com o programa KIVA, foram testados 3 diferentes mecanismos esqueléticos e comparados com o mecanismo detalhado de Joe Shepherd (2006). Um dos mecanismos esqueléticos testado é o de Jachimowski (Mec A) (Eklund, 1994). Esse mecanismo, amplamente aceito e usado há muito tempo para simular combustão supersônica é constituído de 7 espécies e 7 reações. A fim de obter melhores resultados, o mecanismo foi atualizado em seus parâmetros de Arrhenius, conforme os trabalhos de Konnov (2008) e O Conaire et al (2004). O segundo mecanismo testado (Mec B) foi o de Zhukov (2012), estabelecido para a simulação 1D/3D de jatos de mistura estequiométrica de H 2 /ar em deflagração. Esse mecanismo foi desenvolvido com as mesmas espécies do mecanismo detalhado do hidrogênio, à exceção da química de nitrogênio, mas com um menor conjunto de reações, apresentando 9 espécies e 14 reações. O modelo contempla a cinética de HO 2, tida como fundamental na propagação de uma detonação por meio da formação de radicais OH (Liang, 2007) e reações de terminação de cadeia, a partir de H 2 O 2. O terceiro mecanismo testado (Mec C) é composto do conjunto reacional do mecanismo A com adição de reações da cinética do radical OH no primeiro estado de maior energia (Kathrotia, 2010), possuindo 8 espécies e 13 reações. Como o OH excitado é um demarcador da zona de reação, espacialmente e temporalmente, torna mais fidedigna a simulação, quando comparado ao experimento. Para comparar todos os mecanismos testados, aplicou-se o mecanismo detalhado (Shepherd, 2006), com 12 espécies e 24 reações, o qual é proveniente do código ZND (Shepherd, 2008) Condições de simulação Para a avaliação dos mecanismos reacionais de H 2 /ar, realizou-se a simulação unidimensional da estrutura de detonação, a partir do código ZND do grupo de dinâmica de explosões da Caltech (Shepherd, 2006). O modelo ZND considera uma onda de choque, seguida por uma zona de reação finita. Neste caso, tem-se o estado de Von Neumann ou estado termodinâmico de póschoque, que decai a condição CJ. O programa tem como dados de entrada as frações molares da mistura detonável, a velocidade de detonação CJ e o mecanismo cinético reacional de passos elementares com os parâmetros de Arrhenius. As velocidades de detonação são àquelas previamente calculadas pelo código CEA (Marques, 2010). 4. Resultados e Discussão A partir da composição da mistura explosiva (P 1, X H2, X ar, e Φ), da velocidade de detonação CJ (D CJ ) e dos modelos cinéticos aplicados, foram gerados os parâmetros da estrutura de detonação pelo modelo ZND: tempo de indução, tempo de equilíbrio e perfis temporais de fração molar das espécies OH e H 2 O. As Figuras 3 e 4 mostram os tempos de indução ( i ) e de equilíbrio ( eq ) simulados para os diferentes mecanismos reacionais de H 2 /ar, apresentados anteriormente, para 0,6 a pressão inicial de 1 atm e e misturas estequiométricas (a diferentes pressões iniciais. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

162 162 i / s Fig. 3. Tempos de indução e de equilíbrio obtidos pelo modelo ZND para diferentes mecanismos cinéticos de H 2 /ar, em função de a pressão inicial de 1 atm. i / s 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 i (meca) i (mecb) i (mecdet) eq (meca) eq (mecb) eq (mecdet) 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,2 0 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 P 1 / atm i (meca) i (mecb) i (mecdet) eq (meca) eq (mecb) eq (mecdet) Fig. 4. Tempos de indução e equilíbrio em função da pressão inicial para diferentes mecanismos, obtidos pelo modelo ZND. Todas as condições simuladas pelo modelo ZND (igual a 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 e 1,4 à 1 atm e pressões 0,5;1,0 e 1,5 atm à 1) com os mecanismos A, C e detalhado foram capazes de gerar a estrutura de detonação, a qual é estabelecida apenas para número de Mach próximo à 1 (sônico), condição de detonação CJ. Por outro lado, o mecanismo B não possibilitou a obtenção de detonação CJ para o caso de = 0,6, mesmo considerando erro de 1% na energia de ativação do estado termodinâmico que determina a condição CJ. Já para a condição com = 0,8, considerando-se o erro de 1%, o cálculo resulta em número de Mach próximo a 1 e estabelece uma detonação CJ. Para as demais condições, o mecanismo B estabelece as estruturas de detonação. Os resultados para o mecanismo C não foram apresentados junto aos demais para uma melhor visualização dos resultados obtidos eq / s eq / s O mecanismo A apresentou valores de τ i e τ eq bem semelhantes ao do mecanismo detalhado, exceto para as condições com e 0,5 atm O mecanismo B mostrou uma grande disparidade, quando comparado ao detalhado, sendo as condições estequiométricas, as que resultaram em valores mais próximos àqueles obtidos com o mecanismo detalhado. O mecanismo C resultou em valores de τ i bem próximos aos gerados pelo mecanismo detalhado, porém os de τ eq foram bem menores. Devido a maior similaridade dos aspectos temporais da estrutura de detonação para os modelos cinéticos estudados nas condições estequiométricas, foram comparados os perfis temporais das frações molares das espécies OH e H 2 O (Figuras 5 e 6). Observa-se que os perfis temporais, os tempos de pico e as frações molares das espécies OH e H 2 O, simulados com mecanismo A, foram muito semelhantes àqueles produzidos pelo mecanismo detalhado, sendo ainda mais próximos com o aumento da pressão. Em contrapartida, para o mecanismo B, apenas as frações molares do OH se assemelham, sendo os perfis temporais bem diferentes. Para o mecanismo C, os perfis simulados foram intermediários aos obtidos com os mecanismos A e B, porém resultaram em frações molares mais próximas àquelas simuladas com o mecanismo detalhado. Todos os modelos cinéticos avaliados resultaram em pressões CJ bastante semelhantes entre si e àquelas obtidas com o código CEA (Marques, 2010). No entanto, os resultados evidenciam que o mecanismo esquelético de Jachimowski (Mec A) e o mecanismo detalhado de Joe Shepherd (Mec DET) podem ser aplicados às simulações 2D de um motor de detonação pulsada, através do KIVA. Um mecanismo reduzido, aplicado recentemente para a simulação por CFD 3D de motores de hidrogênio (Smirnov, 2014), também foi avaliado e os resultados demonstram ser possível aplicá-lo às futuras simulações 2D. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

163 163 0,040 0,35 0,035 0,030 0,025 (a) 0,30 0,25 X OH 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 (mec A) (mec B) (mec DET) X H2O 0,20 0,15 0,10 0,05 (mec A) (mec B) (mec DET) (a) -0,005 0,035 0, tempo / s (mec A) (mec B) (mec DET) 0,00 0,35 0, tempo / s X OH 0,025 0,020 0,015 X H2O 0,25 0,20 0,15 (mec A) (mec B) (mec DET) 0,010 0,10 0,005 0,000 (b) 0,05 (b) X OH -0,005 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 tempo / s (mec A) (mec B) (mec DET) X H2O 0,00 0,35 0,30 0,25 0,20 0, tempo / s (mec A) (mec B) (mec DET) 0,010 0,10 0,005 0,000 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 tempo / s Fig. 5. Concentração molar de OH em função do tempo para diferentes pressões. (a) 0,5atm; (b) 1,0atm; (c) 1,5atm. 5. Conclusões Os resultados obtidos a partir do modelo ZND mostraram que o mecanismo esquelético de Jachimowski com cinética atualizada é aplicável ao KIVA. Agradecimentos Ao IEAv pelas bolsas de Iniciação Científica e Mestrado e pela infraestrutura. E ao CNPq pelo apoio financeiro Proc: / (c) 0,05 0,00 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 tempo / s Fig. 6. Concentração molar de H 2 O em função do tempo para diferentes pressões. (a) 0,5atm; (b) 1,0atm; (c) 1,5atm. Referências DARPA VULCAN Industry Day Presentations,2008. Disponível em VULCAN_Industry_Day_Presentations_ pdf Acesso em 15 abr EBRAHIMI, H. B.; MERKE, C. L., Numerical Simulation of a Pulse Detonation Engine with Hydrogen Fuels. Journal of Propulsion and Power, v. 18, p , EKLUND, D. R.; STOUFFER, S. D. A Numerical and Experimental Study of a Supersonic Combustor Employing Swept Ramp Fuel Injectors. IN: AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 30, Proceedings of the 30 th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Indianapolis, 20p., (c) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

164 164 GIULIANI, F. et al. Pulse Detonation as an Option for Future Innovative Gas Turbine Combustion Technologies: A Concept Assessment. IN: International Congress of the Aeronautical Sciences, 27, Proceedings of the 27th International Congress of the Aeronautical Sciences, Nice, 10p., GUPTA, A. Development of Detailed, Reduced and Skeletal Kinetic Mechanisms for Hydrocarbon Oxidation at Low and Intermediate Temperatures. 2011, 276p. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica), Drexel University, Filadélfia. KAILASANATH, K. Recent Developments in the Research on Pulse Detonation Engines. AIAA Journal, v. 41, p , KAO, S.; SHEPHERD, J. E. Numerical Solution Methods for Control Volume Explosions and ZND Detonation Structure. GALCIT Report FM , California Institute of Technology, Pasadena, 46p., KATHROTIA, T. et al Study of the H + O + M reaction forming OH*: Kinetics of OH* chemiluminescence in hydrogen combustion systems. Combustion and Flame, v. 157, p , KONNOV, A. A. Remaining uncertainties in the kinetic mechanism of hydrogen combustion. Combustion and Flame, v.152, p , jan LEE, S. Y. et al Deflagration to Detonation Transition Study using Simultaneous Schlieren and OH PLIF Images. IN: AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, 36, Proceedings of the 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Hounstville, 10p., LIANG, Z. et al Detonation front structure and the competition for radicals. Proceedings of the Combustion Institute, v. 31, p , LU, F.K; WILSON, D. R. Some Perspectives on Pulse Detonation Propulsion Systems. IN: International Symposium on Shock Waves, 24, Proceedings of the 24th International Symposium on Shock Waves, Beijing 14p., MARQUES, C. S. T. et al Single-Shot Pulsed Detonation Device for PDE Combustion Simulation. IN: Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, 13, Proceedings of the 13th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering, Uberlândia, 10p., MÉVEL, R. et al.., Application of a Laser induced Fluorescence Model to the Numerical Simulation of Detonation Waves in Hydrogen-Oxygen-Diluent Mixtures. International Journal of Hydrogen Energy, v. 39, p , O CONAIRE, M. et al A comprehensive modeling study of hydrogen oxidation. International Journal of Chemical Kinetics, v. 36, n. 11, p , PEPIOT, P.; PITSCH, H. Systematic Reduction of Large Chemical Mechanisms. IN: Joint Meeting of the U.S. Sections of the Combustion Institute, 4, Proceedings of the 4th Joint Meeting of the U.S. Sections of the Combustion Institute, Filadélfia, 6p., SHEPHERD, J. E. Shock & Detonation Toolbox. Califórnia: California Institute of Technology, Disponível em: s/cti/web/h2air_hight.cti Acesso em 18 mar SMIRNOV, N. N.; NIKITIN, V. F., Modeling and simulation of hydrogen combustion in engines, International Journal of hydrogen energy, v.39, p , TORRES, D. J.; TRUJILLO, M. F., KIVA-4: An unstructured ALE code for compressible gas flow with sprays, Journal of Computational Physics, v. 219, p , ZHUKOV, V. Verification, Validation, and Testing of Kinetic Mechanisms of Hydrogen Combustion in Fluid-Dynamic Computations. ISRN Mechanical Engineering, v. 2012, p. 1-11, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

165 165 AVALIAÇÃO NUMÉRICA E EXPERIMENTAL DE SEÇÃO RETA RADAR UTILIZANDO ESPECTRÔMETRO TERAHERTZ E ALVOS DE ESCALA REDUZIDA Y. F. R. Cardote 1*, M. A. R. Franco 1 1 Instituto de Estudos Avançados Laboratório de Eletromagnetismo Computacional, São José dos Campos SP. Resumo A avaliação da seção reta radar através de modelagem computacional é uma aproximação com certos limites impostos pela capacidade computacional disponível e metodologia numérica utilizada. A partir da técnica de redução linear da escala do objeto alvo em estudo, é possível avaliar experimentalmente sua RCS, utilizando-se um aumento na frequência de operação na mesma proporção. A utilização de medida experimental de seção reta radar, utilizando espectrômetro terahertz e alvos de escala reduzida é eficaz para avaliação do comportamento espectral da RCS de objetos complexos, bem como, das geometrias stealth de projetos de aeronaves. Palavras-chave: RCS, Terahertz, Stealth. 1. Introdução Com o avanço da tecnologia, os sistemas bélicos tornaram-se profundamente dependentes do domínio do espectro eletromagnético e a capacidade dos dispositivos de detecção evoluiu conjuntamente com as tecnologias de despistamento (stealth) (Iwaszczuk, 2011). Tais desenvolvimentos exigem que as aeronaves atacantes utilizem técnicas e recursos stealth para cumprimento de suas missões. A motivação para incorporação dessa tecnologia não se restringe a uma proteção contra mísseis, mas destina-se a garantir segurança e probabilidade de êxito das operações aéreas. Trata-se de conferir liberdade de manobra e penetração em território hostil a despeito das resistências impostas pelos adversários. Missões de combate tem maior probabilidade de sucesso se a detecção pelo inimigo é evitada. Por esse motivo, a redução de detecção por radar tem recebido alta prioridade no desenvolvimento de aeronaves, navios, mísseis e satélites (Iwaszczuk, 2011). Apesar de sua larga utilização, o princípio de funcionamento do radar revela-se sofisticado. Um transmissor gera um sinal eletromagnético que é emitido por uma antena. Parte dessa energia radiada colide com o alvo e é espalhada em diversas direções. A fração de radiação refletida de volta ao radar é coletada por uma antena que retransmite o sinal a um receptor. O adequado espalhamento das ondas eletromagnéticas incidentes no alvo, através de geometrias externas específicas e a absorção das ondas eletromagnéticas por meio de materiais compostos, permitem maior liberdade de penetração da aeronave e sua segurança. Quando uma onda eletromagnética incide sobre um objeto, este poderá espalhar a onda em diversas direções. Cada objeto, de acordo com sua composição química, formato geométrico e ângulo de apresentação, terá diferentes índices de espalhamento da onda eletromagnética. Esses índices, para maior simplificação, são associados com o espalhamento de uma esfera metálica. A seção reta radar ou, em inglês, Radar Cross Section (RCS) é a área projetada de uma esfera eletricamente carregada e perfeitamente condutora, cujo eco equivale ao eco do alvo, se pudéssemos substituir o alvo pela esfera. Em outras palavras, se um alvo tem a seção reta radar de 1 m² significa que o espalhamento da onda eletromagnética é equivalente ao espalhamento correspondente a uma esfera metálica de 1 m², ou 0,2821 m de raio. Essa comparação é válida para esferas cujo diâmetro é várias vezes maior do que o comprimento de onda utilizado para a iluminação do alvo (Knott, 1993). Abordaremos brevemente dois tipos de medição de RCS: simulada em software Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

166 166 comercial e medida experimentalmente em espectrômetro no domínio do tempo. 2. Metodologia A RCS de um alvo varia com certos fatores, quais sejam: tamanho; aspecto ou forma; composição material (tipo, pintura, revestimento e qualidade no acabamento); frequência de transmissão do radar em questão e polarização da onda. (Iwaszczuk, 2011). A Seção Reta Radar pode ser definida pela seguinte equação:, (1) onde R é a distância do alvo, E r é a intensidade do campo elétrico refletido, e E t é a intensidade do campo elétrico incidente sobre o alvo (Skolnik, 2001). Quando o radar possui o transmissor e o receptor em uma mesma posição, é chamado de monoestático. Quando o receptor e o transmissor estão em posições diferentes, é chamado de biestático. 2.1 Materiais empregados Para o cálculo de RCS de objetos simples e complexos utilizamos o software CST - Computer Simulation Technology, software que permite uma modelagem numérica da RCS de objetos 3D complexos. Para o cálculo da RCS de uma aeronave Saab JAS 39 Gripen, utilizamos o solver assintótico e um modelo CAD com malha de aproximadamente faces de superfície perfeitamente condutora e dimensões totais idênticas a da aeronave real. 3. Resultados e Discussão Primeiramente foi simulada a RCS biestática do modelo CAD do Gripen com incidência de uma onda de 10 GHz em = 0 e = 90. O resultado, conforme Fig. 1, demonstra o espalhamento esperado, com maiores amplitudes de RCS no retroespalhamento e no foward lobe (lóbulo oposto à incidência). O lóbulo de retroespalhamento obteve amplitude de 81,8 dbsm. A relação entre a envergadura da aeronave e o comprimento de onda utilizado foi 470,32. Fig. 1. RCS biestática de modelo CAD Saab JAS 39 Gripen com onda incidente em = 0 e = 90. Em seguida, foi simulada a RCS monoestática do mesmo modelo CAD do Gripen utilizando a mesma frequência de onda incidente (10 GHz) em = 0. Como pode ser visto na Fig. 2, o resultado apresentou maior amplitude de espalhamento com 57,5 dbsm. Fig. 2. RCS monoestática de modelo CAD Saab JAS 39 Gripen com onda incidente em = 0. Era de se esperar que o retroespalhamento com = 0 e = 90 na simulação biestática apresentasse valor próximo ao da simulação monoestática com o mesmo posicionamento incidente (= 0 e = 90 ). No entanto, os valores são significativamente distintos. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

167 167 Fatores relacionados ao modelo CAD utilizado, tais como malha ou fidelidade do modelo, ou até mesmo ao software, como solver utilizado por exemplo, podem ter contribuído para essa diferença. A predição de sinais de eco radar é extremamente complexa e conduz a cálculos exaustivos e complicados, já que soluções analíticas estão disponíveis apenas para objetos geométricos simples. A avaliação da RCS através de modelagem computacional propicia obter importantes resultados com menor investimento. Porém, a modelagem é uma aproximação com certos limites impostos pela capacidade computacional disponível e pela metodologia numérica utilizada. Certas estruturas com grande complexidade geométrica demandam uma medida experimental levando-se em conta o objeto todo (Iwaszczuk, 2011). Na prática, busca-se predizer a RCS numericamente quando a avaliação experimental não é possível e medir quando a avaliação numérica não está acessível ou os modelos não representam bem a complexidade do alvo espalhador (Knott, 1993). Ressaltamos que a medida experimental em escala real continua sendo essencial para a validação final das aeronaves. No entanto, para os estágios iniciais de concepção de produto, a experimentação em escala reduzida é a opção com melhor viabilidade econômica. A partir da técnica de redução linear da escala do objeto alvo em estudo, é possível avaliar experimentalmente a RCS do modelo metálico reduzido, utilizando-se um aumento na frequência de operação na mesma proporção. Essa técnica é largamente empregada para medição em câmara anecóica de RCS em modelos de alvos reduzidos. A simulação de um alvo real por um modelo 50 vezes menor resulta no emprego de uma frequência 50 vezes maior que a do radar convencional que se queira representar (Iwaszczuk, 2011), conforme ilustrado na Tab. 1. No entanto, deve-se atentar para a permissividade e permeabilidade dos materiais em cada frequência, ou seja, o comportamento de espalhamento de um material, não necessariamente será igual para diversos tipos de frequência de onda incidente. Tab. 1. Parâmetros para redução de alvos usando escala linear. Dimensão Escala Escala real reduzida Comprimento do objeto L L = L / S Comprimento de onda / S Frequência f f = S f Permissividade (f ) (f) Permebealidade ' (f) (f) A limitação na redução dos modelos de alvos, uma vez que a redução do tamanho do modelo deverá ser proporcional ao incremento em frequência, é uma desvantagem ao utilizar câmaras anecóicas e frequências na faixa de microondas. Utilizando espectrômetros que operem em faixas mais altas, como Terahertz, é possível estimar a RCS de um avião de envergadura de 20 metros, simulado por um modelo de 40 centímetros, com uma frequência de 1 THz, em substituição a uma frequência de 20 GHz, conforme ilustrado na Tab. 2. Esse tipo de experimento provê uma grande economia de meios e custos e permite a mensuração em diversos ângulos e condições. Um pequeno investimento nos equipamentos de geração e detecção de sinal terahertz (espectrômetro) e na fabricação de modelos reduzidos com superfície metálica possibilitariam obter, com boa resolução, a caracterização completa da RCS de aeronaves e outros veículos e objetos de interesse, em faixa espectral que cobre a faixa de operação de muitos radares civis e militares. Tudo em um único arranjo de medida e em pouco tempo. De acordo com (Iwaszczuk, 2011), é possível medir a RCS de um F-16, cujas dimensões são envergadura de 10 m e comprimento de 15,03 m, utilizando uma escala de redução da ordem de 150 vezes em cada eixo cartesiano. Neste caso, o modelo teria dimensões da ordem 6,7 cm de envergadura e 10,0 cm de comprimento. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

168 168 Alvo Carro de combate (10 m) Avião (20m) Tab. 2. Exemplos de redução em escala linear para alvos e frequências. Freq. Radar 3 GHz 20 GHz 3 GHz 20 GHz Tam. do modelo 20 cm 40 cm Freq. do espectrômetro 0,15 THz 1 THz 0,15 THz 1 THz (Gente, 2012) também obtiveram sucesso em medir RCS de modelos em escala de aeronaves reais. A Fig. 3 apresenta a RCS obtida de modelo da aeronave Tornado no domínio do tempo. Nesta mesma figura é possível observar que a presença de armamento embaixo das asas (realce 1 e 2 da Fig. 3) é percebida através da variação de amplitude do sinal refletido (Gente, 2012). Esse resultado ressalta a aplicabilidade e acuidade do sistema de medição baseado em espectrômetro THz. Fig. 3. Sinal de espalhamento da lateral da aeronave Tornado no domínio do tempo. A Fig. 4 mostra uma montagem experimental para medida de RCS, utilizando espectrômetro THz em função do tempo, sendo aplicado para medição experimental de RCS de modelo em escala reduzida da aeronave Tornado. Pretende-se implementar esta metodologia de avaliação experimental de RCS em modelos em escala reduzida no laboratório de Eletromagnetismo Computacional do IEAv. Para a preparação dos modelos reduzidos seria realizada prototipação rápida em impressora 3D de alta resolução e posterior pintura com tinta metálica ou outro processo de metalização. A geração do sinal terahertz e a análise do espalhamento seriam realizadas em espectrômetro terahertz no domínio do tempo. O espectômetro seria baseado em emissores e receptores terahertz com fibra óptica acoplada e laser femtosegundo do tipo Ti:Safira, que permite a geração de feixes terahertz pulsados (~10 ps) com espectro abrangendo desde 300 GHz a 3,5 THz com resolução de 5 GHz. Fig. 4. Espectrômetro THz em função do tempo sendo usado para medição de RCS de modelo em escala reduzida de aeronave Tornado. Fonte: (Gente, 2012). 4. Conclusões A utilização de medida experimental de seção reta radar utilizando espectrômetro que opere na faixa terahertz, em alvos de escala reduzida, será eficaz para avaliação das geometrias stealth de projetos de aeronaves e a assinatura de espalhamento de mísseis e outros veículos e embarcações. A técnica de avaliação de espalhamento em escala reduzida não é aplicável para a experimentação de novos materiais absorvedores, uma vez que cada material apresentará comportamentos específicos para cada frequência de onda eletromagnética. Porém, esta técnica será perfeitamente aplicável para avaliações da contribuição da geometria na assinatura de espalhamento, que faz parte das etapas iniciais de concepção dos projetos de aeronaves e também da análise de aeronaves em operação ou em processo de aquisição. Referências GENTE, R. et al. Scaled Bistatic Radar Cross Section Measurements of Aircraft With a Fiber- Coupled THz Time-Domain Spectrometer. IEEE: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

169 169 Transactions on Terahertz Science and Technology. Marburg, p jul IWASZCZUK, Krzysztof. Terahertz Technology for Defense and Security-Related Applications f. Tese (Doutorado) - Curso de Photonics Engineering, Departamento de Department Of Photonics Engineering, Technical University Of Denmark, Lyngby - Dinamarca, KNOTT, Eugene F.. Radar cross section measurements. New York: van Nostrand Reinhold, p. SKOLNIK, Merril I. Introduction to Radar Systems. 3. ed. Singapore: Mcgraw Hill, p. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

170 170 CARACTERIZAÇÃO ESPACIAL DE SISTEMA ELETRO-ÓPTICO TERMAL G. M. Lima Filho 1*, R. C. F. Almeida 1, R. M. Castro 2, A. J. Damião 1,3 Projeto: Programa de Pós-Graduação em Aplicações Operacionais PPGAO. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA) - Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais - PG/CTE. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Geointeligência, São José dos Campos SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo É chamado de inteligência de imagens o processo de aquisição, tratamento, interpretação e análise de imagens. Ela depende diretamente da qualidade destas imagens. Esta qualidade pode ser prejudicada pelo desconhecimento dos limites e dos recursos do equipamento imageador, assim como pela degradação deste equipamento por fatores ambientais ou envelhecimento. Neste contexto, é necessário que se tenha o domínio da caracterização dos sistemas imageadores, para melhor adequar os parâmetros da missão aos equipamentos disponíveis, ou utilizar os equipamentos mais adequados, levando-se em conta as peculiaridades da imagem a ser obtida. Neste trabalho, foi realizada a caracterização espacial de uma câmera de imagem térmica, em laboratório do IEAv, utilizando-se um alvo USAF 1951 de alumínio e outro de aço, e também um corpo negro de área extensa. Com isso, pretende-se dar início a uma metodologia que permita caracterizar sensores semelhantes. Para a câmera SC5600, verificou-se que cada pixel da matriz do sensor fornece um campo de visada de 0,037. Palavras-chave: Contrast Transfer Function (CFT), Formação de imagens no infravermelho, Caracterização Espacial. 1. Introdução A detecção, a identificação, o reconhecimento e, mais recentemente, a vigilância são atividades de extrema importância, tanto do ponto de vista tático, quanto estratégico, para qualquer Força Armada. Os sensores são as ferramentas mais utilizadas para essas funções, sejam eles ópticos, eletro-ópticos ou de microondas (1). Tratando especificamente de sensores eletro-ópticos, eles são amplamente utilizados na Força Aérea Brasileira (FAB), nas aeronaves P-3, RA-1, R-99, Lear-Jet, A- 29 e, mais recentemente, nas aeronaves remotamente pilotadas (ARP). Esses sensores são utilizados em missões de inteligência de caráter sensível, assim como em possíveis missões de busca e salvamento. Portanto, a exatidão dos dados obtidos por esses sensores é de suma importância para o sucesso destas missões. Os sensores eletro-ópticos possuem características peculiares e envolvem um conjunto de parâmetros diretamente relacionados com a qualidade de uma imagem. Essa qualidade pode ser ou não ser adequada para o reconhecimento de um dado alvo, para certas condições (atmosféricas, altitudes, etc.). A adequação dos sistemas eletro-ópticos para cada missão passa pelo conhecimento e pela caracterização dos mesmos. A exata calibração e o conhecimento amplo do funcionamento dos sensores garantem a exatidão da informação adquirida, implicando diretamente na qualidade da imagem. Ainda que os sensores possam ser adquiridos para atender a requisitos adequados para determinada missão, existe a possibilidade de desgaste do equipamento que, ao longo do uso, pode vir a afetar o seu desempenho. Ou mesmo, quando da aquisição dos equipamentos, verificar se aquilo que foi informado pelo fornecedor dos sensores retrata de fato as suas capacidades. Este trabalho tem por finalidade estabelecer um procedimento para a caracterização espacial de sistemas eletroópticos que operam no infravermelho, por Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

171 171 meio de uma imagem de um alvo USAF 1951 (2) colocado à frente de um corpo negro de área extensa. Como ponto de partida, fez-se uso de uma câmera SC5600 fabricada pela FLIR SYSTEMS, que é uma câmera de imagem térmica no infravermelho médio de alto desempenho, para uso industrial, educacional e termografia (3). A referida câmera fornece dados em temperatura, níveis digitais e radiância, e possui uma correção de não uniformidade de pixel. Foi buscada uma câmera comercial para facilitar tanto o manuseio, quanto o estabelecimento dos procedimentos. Uma vez estabelecidos estes procedimentos, eles poderão ser aplicados a qualquer equipamento eletro-óptico termal. 2. Metodologia 2.1 Materiais empregados Para as medições, foram utilizadas as instalações e equipamentos do Laboratório de Radiometria e Caracterização de Sensores Eletroóticos LaRaC, do Instituto de Estudos Avançados IEAv. Foram produzidos na Divisão de Suporte Tecnológico (SUTEC) do IEAv dois alvos no padrão USAF 1951 (2), um foi confeccionado em alumínio e outro em aço, os dois foram jateados de areia, e o de aço precisou ser pintado para atenuar os efeitos de reflexões indesejáveis. Os alvos foram utilizados como uma máscara no Corpo Negro SR800 da CI Systems (4). Para imagear o alvo foi utilizada a câmera SC5600, com uma lente de 27 mm, fabricada pela FLIR SYSTEMS, posicionada a 1,55 m do alvo, Fig.1. O software Altair foi utilizado para processar a imagem e os dados. 2.2 O alvo USAF 1951 O alvo teste é composto por vários elementos, sendo que cada um deles é constituído por um par de conjuntos de linhas. Cada par é composto por três linhas paralelas (verticais e horizontais) igualmente espaçadas. O comprimento de cada linha é cinco vezes maior que a sua largura. Cada par é mostrado na Fig. 2. Fig. 1. Arranjo da atividade experimental. Fig. 2. Par de conjuntos de linhas triplas. O alvo teste USAF 1951 é composto de vários grupos de pares de linhas, identificados por grupos (-2, -1, 0,...). A proporção do tamanho entre cada conjunto de linhas triplas e o próximo conjunto é de 2-1/6, conforme Fig.3. Fig. 3. Padrão USAF A caracterização espacial Para caracterizar espacialmente a câmera, fez-se necessário a utilização da função Contrast Transfer Function (CTF), prevista por Schott (5), conforme pode ser observado na Fig.4. O Gráfico apresentado na Fig. 4 tem no eixo das ordenadas a Eq. (1), (1) onde: A representa a média dos níveis digitais na área da barra da radiação emitida pelo o corpo negro e B a média dos níveis digitais na área da barra emitida pelo Alvo USAF 1951, como podemos observar na Fig. 5. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

172 172 Fig. 4. Curvas teóricas: CTF, Frequência de Nyquist e AIM (Adaptado de 5). Fig. 5. Representação das médias dos níveis digitais. O eixo das abscissas, na Fig. 4, é dado pela quantidade de pares de linhas claras e escuras vista pelo sensor por milímetro. Os pares vistos pelo sensor são dados por semelhança de triângulo, Como na Fig. 6. Fig. 6. Semelhança de triângulos, fora de escala. Por exemplo, no caso desse sistema eletro-óptico, se o 1 par do alvo tem 21,6 mm, é sensoriado pela câmera a distância de 1550 mm, com uma lente com distância focal de 27 mm, o tamanho deste par visto pelo sensor é de 0,376 mm. Deste modo a quantidade de pares por milímetros (Pares de linhas/mm) é dada por 1/0,376, que é igual a 2,66 Pares de linhas/mm. Para determinar o limite resolução do sensor foi calculada a frequência de Nyquist (5), dada pela Eq. 2, (2) Onde: é a frequência de Nyquist, e é o tamanho efetivo do pixel que foi calculado utilizando-se o número total de pixels que compreendia a imagem do alvo, o tamanho real do mesmo, a distância focal da lente e a distância que a câmera estava do alvo. Obteve-se, então, o valor de 15,1 μm para o tamanho efetivo do pixel e 33 ciclos/mm para a frequência de Nyquist. A interseção do CTF com a linha da frequência de Nyquist fornece o limite da resolução do sistema. A curva indicando a menor quantidade de modulação detectável por um sistema (isto é, o threshould) é chamada de curva AIM (aerial image modulation), referindo-se à modulação requerida para produzir uma resposta no sistema (6). Podemos observar as referidas curvas teóricas, na Fig. 4. No experimento o corpo negro foi ajustado para a temperatura de 40 C, e a placa foi mantida na temperatura ambiente (~ 22,1 C), utilizando-se termopares para verificar a pequena flutuação da sua temperatura. Estas temperaturas foram escolhidas de forma que houvesse gradiente de temperatura suficiente (contrate radiométrico) para realizar a caracterização espacial. 3. Resultados e Discussão Após o sensoriamento dos alvos, foram produzidas as seguintes curvas: CTF, AIM e da frequência de Nyquist, apresentadas na Fig. 7. Fig. 7. Curvas de CTF,AIM e Frequência de Nyquist experimentais. Pode-se observar no gráfico que os alvos de alumínio e de aço tiveram o 24 e o 23 elementos do alvo USAF 1951 abaixo do limite da resolução do sensor (frequência de Nyquist), o 22 foi cortado nos dois alvos Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

173 173 por falta de contraste (AIM), e o 21 elemento teve também que ser desconsiderado nos dois alvos, devido à proximidade da curva AIM, indicando estar no limite de contraste necessário para ser resolvido. Nos dois alvos o 20 elemento foi o último que pode ser considerado dentro do limite de resolução do sistema e com contraste suficiente. Neste elemento, cada linha contém aproximadamente 1 mm de largura, como a distância da câmera para o alvo era de 1,55 m, cada pixel da matriz do sensor fornece um campo de visada de 0,037, ao passo que o fabricante informa que o mesmo é de 0,032. O CTF dos dois alvos apresentou o perfil bem semelhante a curva idealizada por Schott, porém observa-se no gráfico, Fig. 7, que o CTF do alvo de alumínio teve maior contraste que o alvo de aço em sua maior parte. No entanto, os dois apresentaram pequenos problemas de não uniformidade de temperatura. 4. Conclusões Os experimentos com os dois alvos apresentaram resultados bem satisfatórios para o cálculo da resolução em ângulo (caracterização espacial) da câmera SC 5600, estabelecendo um bom procedimento para a caracterização espacial de sistemas eletro-ópticos que operam no infravermelho. Apesar de os dois alvos terem apresentado perfis semelhantes de CTF, o alvo de alumínio mostrou-se melhor para fazer esse tipo de experimento, pois possui maior uniformidade de temperatura, pois o CTF alumínio apresentou maior contraste relativo do que o aço, e uma causa disto, pode ser porque a condutividade térmica do alumínio é maior do que a do aço. É recomendado para os trabalhos futuros que se utilize um alvo de cobre, por ter melhor condução térmica do que o aço e o alumínio. Este tipo de trabalho é de grande importância para área de defesa, tendo em vista que o método estabelecido poderá ser utilizado, para caracterização dos sistemas eletro-ópticos da FAB. Esse o procedimento também é de grande relevância tática e estratégica, pois trata do aperfeiçoamento do sistema de inteligência de imagens, do sistema de busca e salvamento, bem como impacta diretamente para o melhor planejamento das missões de Patrulha e de Reconhecimento da FAB. Agradecimentos Ao Tecnologista Davi Neves, ao Projetista Mecânico Adriano Zanni e o Técnico Marcelo Domingues da SUTEC, pelo excelente trabalho na confecção dos alvos utilizados no trabalho. Referências (1) ALMEIDA, R.C.F. Caracterização espacial de camera CCD: estudos iniciais f. Trabalho de Conclusão de Curso (Especialização em Análise de Ambiente Eletromagnético) - Departamento de Engenharia Eletrônica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. (2) United States Air Force MIL-STD-150A, Section , Resolving Power Target, (3) Flir Systems, Inc. SC5000 User Manual, (4) CI SYSTEMS. SR-800 extended area blackbody. Simi Valley, Manual (5) SCHOTT, J. R. Remote Sensing the Image Chain Approach. 2. ed. Oxford: Oxford University Press, p. (6) ALMEIDA, M. H. Desenvolvimento de um software para avaliação de desempenho do sistema óptico em equipamento para retinografia digital f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica), Universidade de São Paulo, São Carlos. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

174 174 CARACTERIZAÇÃO ESTRUTURAL E MORFOLÓGICA DE FERRITAS NANOESTRUTURADAS DE CoFe 2 O 4 SINTETIZADAS POR REAÇÃO DE COMBUSTÃO P. C. F. Menezes 2,3, A. C. C. Migliano 1,2, V. C. S. Diniz 3, P. T. A. Santos 3, A. C. F. M. Costa 3 Projeto: Desenvolvimento de Cerâmicas com Aplicações em Encapsulamento de Sensores em RF e Microondas, Radome e Biossensores. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Universidade Federal de Campina Grande - Departamento de Engenharia de Materiais, Campina Grande PB Resumo A síntese por reação de combustão tem se destacado como um método alternativo e viável economicamente por possibilitar a produção de materiais quimicamente homogêneos, usando precursores de alta pureza e com custo final economicamente viável para uso industrial. Atualmente este processo está sendo otimizado, com a produção, em escala piloto (200g/batelada), para as ferritas. Os resultados têm revelado a obtenção da ferrita CoFe 2 O 4 com as características morfológicas e estruturais adequadas para aplicações em dispositivos magnéticos moles. Palavras-chave: Reação de combustão, Cerâmicas Nanoestruturadas, CoFe 2 O Introdução O processo de Síntese de Combustão originada da tecnologia dos propelentes e explosivos consiste em um processo técnico pelo qual reações exotérmicas são usadas para produzir uma variedade de póscerâmicos. O processo é baseado no princípio que, uma vez iniciada por uma fonte externa, uma reação exotérmica muito rápida ocorre, tornando-se autossustentável e resultando em um produto final (óxido), dentro de um curto período de tempo (JAIN et al. 1981). Estudos atuais revelaram que as condições em que a síntese por reação de combustão é realizada, afeta diretamente os parâmetros de tempo e temperatura da chama de combustão, os quais são parâmetros que definem as características finais do pó obtido. Estes parâmetros podem ser influenciados por vários fatores, entre alguns podemos citar: aquecimento externo; tipo de recipiente; tipo de precursor; e tipo de combustível (COSTA et al. 2009). A ferrita CoFe 2 O 4 tem alta coercividade (5400 Oe), magnetização de saturação moderada (cerca de J/m3), excelente estabilidade química e elevada dureza mecânica, necessária para uso como mídia de gravação de alta densidade. É um material magnético duro que apresenta ainda estabilidade química, dureza mecânica, resistência ao desgaste, facilidade de síntese e bom isolamento elétrico (WU et al., 2010). 2. Metodologia Para a síntese das amostras de ferrita CoFe 2 O 4 foram utilizados os seguintes reagentes: nitrato de ferro monohidratado - Fe(NO 3 ) 3.9H 2 O - 99% - VETEC; nitrato de cobalto II trihidratado - Co(NO 3 ) 2.3H 2 O - 98% - VETEC e a uréia - CO (NH 2 ) 2-98% - VETEC como combustível. O processo de síntese de ferrita CoFe 2 O 4 por reação de combustão em escala piloto (200g/batelada) (COSTA, 2012) envolveu uma mistura de íons metálicos, como reagentes oxidantes (nitratos), e o combustível (uréia) como agente redutor. Para a realização da reação de combustão, a proporção da mistura inicial de cada reagente foi calculada de acordo com as valências dos elementos reativos estabelecidos pela estequiometria de acordo com os conceitos da química dos propelentes e explosivos (JAIN et al, 1981). O reator contendo todos os reagentes foi colocado sobre uma base cerâmica com resistência elétrica, dentro de uma capela com exaustor para a evasão dos gases. Com o aquecimento ocorreu um aumento da viscosidade, formando bolhas e dando inicio Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

175 175 à volatilização de gases e posteriormente a ignição, seguida da combustão. Os produtos (amostras) obtidos da combustão foram desaglomerados em um almofariz e peneirados em peneira 325 mesh (44μm). A caracterização foi feita usando um difratômetro de raios X SHIMADZU (modelo XRD 6000, radiação Cu K). 3. Resultados e Discussão A Fig. 1 ilustra os difratogramas de DRX das amostras do sistema CoFe 2 O 4 sintetizada pelo método de reação de combustão em escala piloto (200g/batelada). Co Co Co H Co H Co Co H (Graus) Co Co CoFe 2 O 4 (JCPDS ) Fe 2 O 3 (JCPDS ) Fig. 1. DRX do sistema CoFe 2 O 4. A morfologia da ferrita de CoFe 2 O 4 obtidas por reação de combustão pode ser observada nas Fig. 2 (a) e Fig. 2 (b), em escalas de 20 e 5 µm. Podemos observar uma morfologia caracterizada por partículas e/ou aglomerados com formatos irregulares e tamanhos variados (maiores e menores que 20 μm). Estas partículas estão possivelmente interligadas por forças fracas e com porosidade interpartículas, o que permite que sejam facilmente desaglomeradas. Os resultados dos difratogramas de DRX indicaram a formação da ferrita de CoFe 2 O 4 pela fase majoritária cúbica do espinélio e traços de hematita (Fe 2 O 3 ). Por meio da análise morfológica, observaram-se aglomerados/partículas de tamanhos irregulares e moles, atendendo as expectativas do uso da produção em escala piloto com a obtenção da ferrita com características morfológicas e estruturais adequadas. Agradecimentos CAPES Pró-Estratégia 50/20111, proc. 2237; FINEP proc (0479/11) e proc (0606/13); FAPESP proc /12; COMAER. Referências COSTA, A. C. F. M.; KIMINAMI, R. H. G. A.; MORELLI, M. R. Combustion synthesis processing of nanoceramics. In: Handbook of nanoceramics and their based nanodevices (Synthesis and Processing). Ed. American Scientific Publishers, v.1, Chapter 14, p , COSTA, A. C. F. M.; KIMINAMI, R. H. G. A. Dispositivo para produção de nanomateriais cerâmicos em larga escala por reação de combustão e processo contínuo de produção dos nanomateriais. Depósito de patente. Revista de Propriedade Industrial RPI, depositada em 25/01/2012, recebendo o nº BR JAIN, S. R.; ADIGA, K. C.; PAI VERNEKER, V. A new approach to thermo chemical calculations of condensed fuel-oxidizer mixture Combustion. Flame, v. 40, p , WU, H.; LIU, G.; WANG, X.; ZHANG, J.; CHEN, Y.; SHI, J.; YANG, H.; HU, H.; XIAO, S. H.; LUO, K.; ZHANG, L. The structural and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles formed in situ in silica matrix. Materials Chemistry Physics, v. 123, p , (a) (b) Fig. 2. Micrografias obtidas por MEV da Ferrita CoFe 2 O 4 : (a) escala de 20 µm; (b) escala de 5 µm. 4. Conclusões Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

176 176 CHARACTERIZATION OF LASER IRRADIATED NiCrAlY COATINGS D. C. Chagas 1,2, V. Teleginski 1,2, J. C. G. Santos 2, J. F. Azevedo 2, A. C. C. Oliveira 1, G. Vasconcelos 1,2* Projeto: Projeto de pesquisa MATEST Tratamentos de superfícies a laser. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Palhetas de turbinas aeronáuticas são geralmente fabricadas em substratos de superliga e revestidas com materiais cerâmicos para melhorar sua proteção térmica. Um revestimento de ligação (BC Bond-Coat) é necessário para aumentar a resistência a oxidação do substrato e acomodar o revestimento cerâmico, levando a uma transição gradual entre os coeficientes de expansão térmica, aumentando a vida útil das palhetas. A irradiação a laser é uma ferramenta eficiente para estabelecer ligação metalúrgica entre o revestimento de ligação e o substrato. Neste trabalho foi investigada a irradiação com laser de CO 2 de pós de BC pré-depositados em substratos de Inconel 718. Foram efetuados experimentos com diferentes parâmetros de laser com o objetivo de otimizar o processo, quanto a uniformidade da camada, espessura e qualidade do revestimento. As amostras foram caracterizadas por microscopia óptica, microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por dispersão de energia, difração de raios X e medidas de dureza Vickers. Os resultados mostraram que a irradiação a laser pode produzir revestimentos ligados ao substrato sem porosidade aparente ou trincas. Abstract Aeronautical turbine blades are generally manufactured in superalloy substrates and coated with ceramic materials to improve its thermal protection. A bond coat is necessary to increase the substrate oxidation resistance and accommodate the ceramic coating, leading to a gradual transition between the thermal expansions coefficients, increasing the blade lifetime. Laser irradiation is an efficient tool to establish the metallurgical bonding between the bond coat and the substrate. In this work the CO 2 laser irradiation of pre-placed powders of NiCrAlY on Inconel 718 substrates were investigated. The samples surface was evaluated by optical microscopy and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy, X-ray diffraction and Vickers hardness measurements. The results showed that the laser irradiation can produces coatings bonded to the substrate, without apparent porosity and crack-free. Keywords: NiCrAlY, bond-coat, turbine blade, CO 2 laser. 1. Introduction Engines working in highly aggressive environments, subject to high temperatures, thermal cycling and pressure, lead to components oxidation and corrosion. This environment condition is particularly pronounced for aircraft turbine blades, becoming mandatory the use of Thermal Barrier Coatings (TBC) (Teleginski, 2014). The TBC main functions are thermal and chemical protection during the turbine operation cycles. It consists of a three layers system: i) a ceramic top-layer to provide thermal insulation, ii) a Bond-Coat (BC) to increase adhesion between the ceramic and substrate and assure chemical protection, due to the formation of a iii) Thermally Grown Oxide (TGO), mainly constituted of Al 2 O 3 (Teleginski, 2014). The BC is a MCrAlY alloy, where M is nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe) and/or a combination of these elements (Teleginski, 2014; Vilar, 2009). Different plasma spray techniques are employed for BC deposition. The technique variations include simple systems operating in air conditions or high vacuum controlled environments (Sidhu, 2004; Vilar, 2009; Ma, 2010). The coating anchorage mechanism is mechanical and chemical. The residual porosity intrinsically to the plasma spray technique allows liquids and gases penetration, leading to TGO Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

177 177 extension and further coating detachment (Sidhu, 2004). Laser processes is a feasible alternative to improve the anchorage resistance and densification of coatings. The ability of the laser to perform local heating for a variety of treatments and applications has made lasers an important tool for materials surface treatment (Vollertsen, 2005). The present investigation aims to show the resulting characteristics of NiCrAlY BC coatings achieved by laser irradiation of preplaced powders on Inconel 718. The coating / laser interactions and the BC behavior have been evaluated. 2. Methodology An ingot of solubilized and aged Inconel 718 alloy was used as substrate material. Samples were cut with diameter of 25.4 and 3 mm thickness, washed with water, detergent and cleaned in ultrasound equipment with acetone for grease removal. The BC particulate material was provided by Praxair USA, with average particle size of µm, rounded shape and chemical composition of 31% Cr, 11.3% Al, 0.7% Y and Ni as balance. A sedimentation technique was employed to pre-place the BC powder on the substrate material, as illustrated by Fig. 1. A suspension of 5 g of BC powder and 175 ml of ethylic alcohol was mixed in a recipe (Fig. 1a) until complete homogenization. Ceased mixing, the sample was submerged and the BC powder sediment on its surface. The flow valve was opened to drain the suspension. The pre-placed powder thickness was 141 μm (± 10). A CO 2 laser beam with λ = 10.6 µm (Synrad Evolution 125), coupled with a marking head was employed to irradiate the samples with pre-placed BC powder. The laser beam scanned the sample surface, generating multiple and successive adjacent tracks (Vasconcelos, 2012). The laser power was kept at 125 W and beam diameter of 180 µm at the focus position. Argon flux was used as shielding gas with 5 L.min -1. The laser beam can scan the sample surface in the range of scanning speeds (V) of 20 to 5000 mm.s -1. Fig. 1. Sedimentation process schematic drawing showing the (a) suspension mixing for homogenization and (b) the obtained BC pre-placed powder. To calculate the beam scanning speed or the energy necessary to promote powder melting, it can be considered as can be seen in the Fig. 2, the pulse time (tp) or the pulse interaction time to irradiate an area same as the laser beam diameter (Øf) is: Eq. (1) Fig. 2. Schematic drawing of the laser irradiation on the pre-placed powder NiCrAlY. The volume (v) of a column with diameter of the laser beam (Øf) and 140 µm (± 10) thickness is v =3.56x10-12 m 3. The BC powder has average density of 7664 kg.m -3. The mass of this column is 2.73x10-8 kg (given by the product of the average theoretical density of BC by the column volume). When the laser is off, the preplaced powder column has 140 µm. The amount heat (Q) necessary to start the sintering, to stablish total melting or the complete evaporation of the column (h c ) could be determinate by the product of the average of the thermodynamics parameters of the BC, i.e.; the latent heat of fusion Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

178 178 (291.9 J.g -1 ) and latent heat of evaporation (14.7x10 3 J.g -1 ) by the mass. This scheme proposed is plotted in the Fig. 3. depending on the laser beam scanning speed, variations in the coating thickness (h c ) and quality were observed, as highlighted in each micrograph of Fig. 4. Fig. 3. Schematic drawing the proposed mechanism to densification, fusion and vaporization of the pre-placed NiCrAlY powder due to increased energy during the laser beam irradiation. The sintering process starts when the powder temperature or its energy impinge values are between 3/5 to 2/3 of the fusion temperature or melting energy (Jonghe, 2003). By this energy values total melting (Energy M ) and total evaporation (Energy Ev ) to a fixed power (125 W) it is possible to calculate V, where melting occurs at 2800 mm.s -1 and evaporation at 56 mm.s -1. Nevertheless, the absorption of the CO 2 wavelength by the BC powder is less than 10% (Pawlowski, 1999), reducing this values to 10 times. Metallographic preparation was performed in the samples cross-section (sanding, polishing, chemical etching with Carpenter reagent). Analyses were performed by optical microscopy OM (ZEISS-Imager.A2m), scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy SEM/EDS (TESCAN-Vega 3 XMU/ Oxford X-act) and X-ray diffraction XRD (PANalytical - X'Pert Quantify). Vickers hardness measurements were carried out with 50 g for 10 seconds (Future Tech /FM-700). 3. Results and Discussion Fig. 4 shows representative micrographs obtained by OM for different scanning speeds. For all samples, crack-free and dense coatings were obtained. Although, Fig. 4. Cross-section OM for the BC irradiated with different laser scanning speeds, as indicated. The arrows highlight pores and the ellipses indicate thickness irregularities. For scanning speeds between 70 and 80 mm.s -1, thickness irregularities and pore formation was observed, as indicated by arrows in Fig. 4. The presence of pores reduce the coating corrosion resistance, since there is higher oxygen permeation toward the substrate (Sidhu, 2004). However, for the sample irradiated with 90 mm.s -1, the OM revealed a homogenous structure, without apparent porosity. For the sample irradiated with 90 mm.s -1 it was found a regular and thick coating. This sample was used for the further investigations. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

179 179 The BC pre-placed powder thickness was 141 μm (± 10), and after the laser irradiation, the coating showed thickness of 72.6 μm (± 10). Sidhu et al. (2004, 2005) observed coating thickness variation for laser irradiated plasma sprayed BC. The authors have attributed this difference mostly to porosity elimination from the plasma sprayed coating and also to elements lost due to evaporation, because of the laser high energy input. During the laser irradiation, the tracks formation occurs by melting the pre-placed powder, a portion of the previews tracks, and small layer of the substrate material. The elements Cr and Ni are homogenously distributed along the coating and substrate. This can be clearly seen in the EDS mapping showed in Fig. 5. compared to the other alloying elements, the Al atoms are the last to be solidified, been segregated toward the surface, where another dense and apparently adherent layer was formed. This layer is mainly constituted by Al and O, indicating Al 2 O 3 formation. The Al 2 O 3 layer was reported by other researches (Teleginski, 2014; Vilar, 2009). Fig. 6 shows an EDS line scan indicating the elements percent variation in the crosssection. Fig. 5. SEM/EDS cross-section analysis, where the elements mapping and semiquantitative results are indicated. Around 6% of Fe can be observed in the coating composition, homogenously distributed. The BC powder composition is absent of Fe, indicating that the substrate material alloying elements were diluted (Teleginski, 2014). This behavior was also observed by other authors (Ma, 2010; Jonghe, 2003; Nelson, 1999). It was observed a reduction in the Al content in coating the inner portions, while a small degree of oxidation occurred throughout the coating, as shown by the oxygen mapping. Since the Al has low melting temperature and low density, when Fig. 6. EDS line scan showing the elements variation from the coating surface toward the substrate. It can be observed that the elements Cr, Fe, and Al exhibits a gradual transition on its quantities around 35 and 65 µm depth. This behavior indicates a transition region between the coating and the substrate. Sidhu et al. (2004) indicates that a strong metallurgical bond was established, caused by partial elements dilution of the coating elements on the substrate. This dilution if confirmed by the gradual change of elements quantities and the presence of Fe in the coating. Other author reported the achievement of dense, without pronounced defects and metallurgically bonded coatings by laser irradiation (Teleginski, 2014). The phase composition of the coating surface and BC powder were analyzed by XRD, as shown in the diffractogram of Fig. 7. The BC powder is mainly constituted by γ-ni(cr) solid solution of Cr in Ni. The laser irradiation led to the formation of the phases β-nial, γ -Ni 3 Al, Al 2 O 3, YAlO 3. Wu et al. (2001) and Partes et al. (2008) associated the formation of oxides to the high chemical affinity of Al, Y, and O. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

180 180 Fig. 7. XRD patterns from the BC powder and the coatings surface after laser irradiation. An alumina dense layer favors the BC corrosion resistance, suppressing the oxygen diffusion through the oxide layer. Moussa and El-Shall (2007) showed that increased Al content effectively contributes to β-nial phase formation. This phase possess corrosion resistance higher than the γ -Ni 3 Al phase, which is the preponderant substrate material phase composition. Moreover, the Al content contributes to Al 2 O 3 formation, slowing the growth of NiO. Although the laser irradiation generates isotherms in the cross-section depth, the SEM and OM analysis was absent of a distinguished Heat Affected Zone (HAZ). Vickers hardness measurement were performed to generate a depth profile, as shown by Fig. 8. As indicated in Fig. 8, the coating near-surface and the substrate material have similar hardness of 410 HV 0.05 (± 50). Fig. 8. Vickers hardness depth profile of the BC coating over the Inconel 718 substrate. However, a decrease in hardness was observed in the coating depth (Sidhu, 2004; Sidhu, 2005). As suggested by the line scan of Fig. 6, a transition region where the elements dilution occurred showed effects on the coating hardness. Beyond the transition region, until approximately 10 µm, the profile indicates a decrease in the substrate hardness to HV 0.05 (± 12.5) until the substrate average hardness of 397 HV 0.05 (± 32) was observed. This may be caused by the formation of a HAZ. 4. Conclusions The control of laser parameters to irradiate pre-placed bond coats powders allow the achievement of densified coatings, with regular coating thickness and without pronounced imperfection. For the sample irradiated with 90 mm.s -1 it was found a regular and thick coating. The laser process generated a refined grains microstructure with columnar epitaxial growth, depending on the substrate orientation and laser tracks overlapping. During the laser irradiation, the alloying elements of the substrate were diluted on the coating. This caused Fe enrichment and Al 2 O 3 formation on the coating surface. A gradual transition toward the substrate of Cr, Al and Fe was observed, indicating the formation of a strong metallurgical bonding. The XRD indicated the formation of corrosion resistant phases, formed due to the laser irradiation. Although the SEM/EDS and OM images did not indicated a heat affected zone, 10 µm of the substrate material showed a slight reduction in hardness. The results indicate that laser irradiation of pre-placed powder bond coats is an effective way to produce high quality coatings. Acknowledgments The authors acknowledge CNPq/ MCT/ AEB, CNPq Project / Strategic Materials MATEST, FAPESP process nº 2013/ , AMR-DCTA, LAS-INPE. References JONGHE, L. C. D.; RAHAMAN, M.N. Sintering of ceramics. In: Handbook of advanced ceramics, New York: Academic Press, cap. 4. p Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

181 181 MA, K.; TANG, F.; SCHOENUNG, J. M. Investigation into the effects of Fe additions on the equilibrium phase compositions, phase fractions and phase stabilities in the Ni Cr Al system. Acta Materialia, v. 58, p , MAHESH, R. A.; JAYAGANTHAN, R.; PRAKASH, S. Microstructural characteristics and mechanical properties of HVOF sprayed NiCrAl coating on superalloys. Journal of Alloys and Compounds, v. 468, p , MOUSSA, S. O.; EL-SHALL, M. S. Hightemperature characterization of reactively processed nanostructure nickel aluminide intermetallics. Journal of Alloys and Compounds, v. 440, p , NELSON, T. W.; LIPPOLD, J. C.; MILLS, M. J. Nature and evolution of the fusion boundary in ferritic-austenitic dissimilar weld metals, part 1- nucleation and growth. Welding Journal, v. 78, p , PARTES, K. et al. High temperature behaviour of NiCrAlY coatings made by laser cladding. Surface and Coatings Technology, v. 202, p , PAWLOWSKI, L. Thick Laser Coatings: A Review. Journal of Thermal Spray Technology, v. 8, n 2, p , SIDHU, B. S. et al. Characterisations of plasma sprayed and laser remelted NiCrAlY bond coats and Ni3Al coatings on boiler tube steels. Materials Science and Engineering A, v. 368, p , SIDHU, B. S.; PURI, D.; PRAKASH, S. Mechanical and metallurgical properties of plasma sprayed and laser remelted Ni-20Cr and Stellite-6 coatings. Journal of Materials Processing Technology, v. 159, p , TELEGINSKI, V. et al. Yb:fiber laser surface texturing of stainless steel substrate, with MCrAlY deposition and CO 2 laser treatment. Surface and Coatings Technology, v. 260, p , VILAR, R. et al. Structure of NiCrAlY coatings deposited on single-crystal alloy turbine blade material by laser cladding, Acta Materialia, v. 57, p , VOLLERTSEN, F.; PARTES, K.; MEIJER, J. State of the art of laser hardening and cladding. Proceedings of the Third International WLT - Conference on Lasers in Manufacturing, Munich, WU, Y. N. et al. Oxidation behavior of laser remelted plasma sprayed NiCrAlY and NiCrAlY-Al 2 O 3 coatings. Surface and Coatings Technology, v. 138, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

182 182 DESENVOLVIMENTO DE ESTRUTURA MECÂNICA EM SENSOR A FIBRA ÓPTICA PARA APLICAÇÃO EM DETECÇÃO DE ÁUDIO L. S. Leandro 1*, G. M. Pacheco 2 Projeto: Microfone óptico caracterização na faixa de áudio- Montagem e Aplicação. 1 Universidade Paulista Instituto de Ciências Exatas e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Departamento de Microondas, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho é reportada a atividade de desenvolvimento e avaliação de sensores baseados em fibras ópticas para uso como microfone na faixa de áudio. Partindo da descrição geral de um microfone óptico, construído com uma fonte laser, duas fibras ópticas monomodo, uma lente convergente e um fotodetector, são apresentadas as quatro montagens realizadas com diferentes tipos de fibras ópticas e lentes. O resultado sugere uma combinação que fornece uma sensibilidade maior, para a combinação de duas fibras com abertura numérica igual a 0,15 e uma lente convergente de 11 mm de distância focal. Palavras-chave: Microfone, Fibra-óptica, Sensor, MFO 1. Introdução A ideia de um microfone baseado em um transdutor fotoacústico, microfone óptico, tem seu primeiro registro datado em 1880 com a patente de A. G. Bell: o Photophone (1). O microfone óptico de A. G. Bell guiava a luz do sol em ambiente aberto através de espelhos, sendo focalizado por uma lente em uma superfície refletora sujeita a sinais de áudio. A luz refletida transmitia tais sinais que eram captados por uma fotocélula e reproduzia-os em fones de ouvidos de um telefone comum. Entretanto, o interesse neste tipo de microfone cresceu apenas nas últimas décadas, devido ao aperfeiçoamento de guias ondas óptico e à disseminação da tecnologia de sensores baseados em fibras ópticas. Uma vez que o microfone utiliza sensores a fibras ópticas, este possui as vantagens típicas de sensores ópticos quando comparados às tecnologias convencionais. Isso inclui imunidade à interferência eletromagnética e estabilidade química, como também permite que exista uma grande distância entre a parte sensora e seu circuito eletrônico de detecção. Estas características proporcionam a aplicação do microfone a fibras ópticas, MFO, segura em monitoramento de áreas de ambientes explosivos, vigilância de pontos estáticos ou em movimento (automóveis ou aeronaves), detecção de assinatura de motores, uso em salas de ressonância magnética como também análise de peças através de ensaios sem contato e não destrutivos (2). O MFO possui uma fibra óptica (emissora) que é utilizada para guiar a luz de uma fonte óptica até uma lente convergente. O feixe colimado pela lente atinge uma superfície refletora. A luz refletida, passando pela mesma lente convergente, é focalizada na outra fibra óptica (receptora), que a conduz ao fotodetector. A Fig. 1 ilustra o caminho percorrido pelo feixe óptico no MFO. No caso desta superfície refletora ser uma membrana, ao ser exposta a ondas acústicas, esta ocasiona um deslocamento angular que é convertido em modulação de intensidade óptica, se tornando um MFO. O fotodetector converte o sinal óptico para sinal elétrico, possibilitando o processamento destes dados. A Fig. 2 demonstra esquematicamente a montagem do MFO. Baseando-se nos trabalhos desenvolvidos por J.M.S. Sakamoto (3-6) e sustentando- se na análise entre duas fibras ópticas associadas a uma lente convergente, este artigo tem como objetivo apresentar um sensor a partir de construções com conexão FC (Ferrule Conector, ponteira de conexão). Utilizando tal conector, obteve-se a redução no tamanho físico do conjunto. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

183 183 realizados testes para analisar a qualidade do acoplamento de luz nas fibras ópticas. Fig. 1. Ilustração do caminho descrito pelo feixe óptico na região sensorial do MFO. Os sensores aqui relatados são fundamentados em apenas um par de fibras ópticas e em uma montagem sem requisitos de mecânica fina e, portanto, são mais simples que montagens baseadas em um feixe de fibras ópticas, (7), e em uma montagem micro mecânica, (8). 2. Materiais e Métodos Neste trabalho foram construídos quatro sensores, em todos os casos foi utilizado um laser de He-Ne de 15 mw de potência; uma lente convergente; uma lente objetiva; dois trechos de fibras ópticas; um espelho plano; uma membrana de mica com alumínio depositado; um fotodetector com tensão de saída máxima de 4 V e um osciloscópio. As fibras ópticas, emissora e receptora, foram montadas em um mesmo conector do tipo FC. Estas fibras foram coladas ao conector e realizou-se o polimento em superfície de vidro utilizando um conjunto de lixas com diversas granulações. Na parte interna do conector, as duas fibras estão fixadas em paralelo, sendo que a distância entre elas é igual à zero. A finalidade de se ter as fibras em um conector é a possibilidade de acoplá-lo numa lente através de um suporte óptico dedicado. Desta maneira, o suporte manterá o alinhamento constante do feixe de luz e, assim, o acoplamento de luz na fibra óptica. Tal suporte foi utilizado para testes em dois sensores, sendo que a distância focal adotada para lente é igual a 4,43 mm. Após o polimento destes conectores foram Fig. 2. Esquematização da montagem experimental do MFO. Na Tab. 1 são mostradas as características que diferenciam cada um dos sensores construídos, sendo que o raio do núcleo e a abertura numérica (NA) são características da fibra óptica. Os sensores A e B utilizam um laser que possui comprimento de onda menor que o comprimento de onda de corte da fibra óptica. Desta maneira, obtém-se um padrão multimodos na saída, podendo ser LP 01, LP 11, LP 21, LP 02, ou uma composição entre eles. Com este tipo de saída, o sensor pode apresentar resposta ruidosa, pois pode ocorrer uma alternância contínua entre modos. Há também perda de luz, já que a mesma não está concentrada apenas no modo LP 01. Desta maneira, foi necessário filtrar a luz na fibra com um filtro de modos, como se mostra na Figura 3, para que o guiamento multimodo pudesse se tornar monomodo, ou seja, LP 01. Este filtro é constituído por três pequenos círculos (da ordem 5 cm de diâmetro), de maneira que a luz apresenta na saída apenas o modo de propagação fundamental, LP 01. Em todos os quatro sensores, a luz que sai na outra face da lente é refletida pela superfície, cuja posição é ajustada nos eixos x, y, z, para que a luz passe novamente pela lente convergente e seja acoplada na fibra receptora. O sinal de saída é recebido pelo fotodetector e adquirido pelo osciloscópio. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

184 184 Fig. 3. Filtro de modo utilizado nos sensores A e B. Sensor Tab. 1. Sensores montados. Raio do Núcleo (μm) Abertura Numérica A 1,75 0,1 4,43 B 1,75 0,1 11 C 3,5 0,15 4,43 D 3.5 0,15 11 Distância Focal da Lente (mm) O método utilizado constituiu-se primeiramente no alinhamento do laser à lente objetiva utilizada para acoplar o feixe de luz à fibra óptica emissora. No caso dos sensores B e D, que utilizam uma lente de 11 mm de distância focal (sem conector), a luz guiada até a saída da fibra óptica foi posicionada em frente a uma lente convergente, de maneira a manter o feixe colimado. Este feixe atinge a superfície refletora (no caso, um espelho plano) que reflete a luz de volta à lente. Uma vez que se pretende testar as condições de um sensor óptico, o espelho foi ajustado para que a luz fosse acoplada na fibra receptora. A Fig. 4 ilustra o sistema completo. A tensão elétrica indicada no osciloscópio foi usada para comparar os diversos sensores construídos. Fig. 4. Montagem experimental do sensor. 3. Resultados e Discussão Neste trabalho, realizou-se um experimento para comparar diferentes configurações do sensor de deslocamento angular a fibra óptica (A, B, C e D), cujas características foram mostradas na Seção 1. O objetivo do experimento é medir a máxima tensão elétrica de saída de cada configuração do sensor, já que esta tensão é diretamente proporcional à sensibilidade do mesmo (8). As tensões nos sensores foram obtidas pelo osciloscópio e são mostradas na Tab. 2. Os resultados da Tab. 2 mostram que os sensores C e D apresentaram as maiores tensões de saída. Isso se deve ao maior raio do núcleo da fibra óptica receptora utilizada na montagem destes sensores. Tab. 2. Valores de tensão de saída obtidos para cada sensor. Sensor Tensão máxima (V) A 0,005 B 1.7 C 3,8 D 3,9 Comparando-se os sensores A com B e C com D, observa-se que um aumentando na distância focal da lente colimadora causa um aumento na tensão de saída do sensor. Os sensores B e C utilizam a mesma lente, porém constata-se que o sensor com a fibra óptica de menor abertura numérica possui a menor tensão obtida pelo osciloscópio. Como indicado, o sensor D obteve o melhor resultado. Alguns fatores o diferenciam dos sensores A, B e C: utiliza lente com distância focal de 11 mm e um núcleo de 3,5 μm. Nestes pontos pode-se avaliar a influência entre a distância focal da lente e as aberturas numéricas das fibras utilizadas. De acordo Sakamoto et at (5), conforme se diminui a distância focal da lente convergente, aumenta-se a dificuldade de se acoplar luz na fibra receptora. Sabendo que a quantidade de luz acoplada na fibra óptica está Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

185 185 relacionada à abertura numérica da fibra e a distância focal da lente, o fato dos sensores C e D possuírem o núcleo maior comparado a A e B contribui para se obter maior tensão de saída. A partir destes resultados, testou-se o sensor com maior tensão de saída (o sensor D), colocando a membrana de mica com alumínio depositado no lugar do espelho, tornando o sensor um MFO. Aplicou-se ao MFO a frequência de 2 khz com tensão máxima de 108 mv, e este obteve uma captação igual a 2 khz com tensão máxima de 89 mv, como mostra a Fig. 5. O MFO apresenta uma redução na amplitude de aproximadamente 17 %. Fig. 5 Sinal obtido pelo osciloscópio, sendo que a onda amarela representa o sinal de saída do MFO e a onda verde o sinal de entrada. 4. Conclusão Em comparação com as configurações desenvolvidas por J.A. Bucaro (7) e M. Feldmann (8), a montagem reportada neste trabalho é significativamente mais simples, pois não é necessário utilizar a micro fabricação ou microposicionamento. Além disso, este sensor é mais eficiente por utilizar apenas duas fibras ópticas ao invés de um conjunto de sete ou mais fibras ópticas. Como mostrado na Tab. 1, os sensores C e D obtiveram os maiores valores de tensão, consequentemente, são os mais sensíveis à captação de sinais acústicos (6). O teste realizado com o sensor D, quando configurado como MFO, comprova a capacidade e alto desempenho na captação de áudio. Este trabalho encontra-se em andamento e estão sendo realizadas melhorias como a conectorização entre a fonte de luz e a entrada da fibra óptica, como também entre o fotodetector e a saída da fibra receptora. Está também em andamento a construção de um dispositivo que conecte a lente de 11 mm à fibra óptica. Desta maneira, pretende-se reduzir o número de componentes e consequentemente reduzir o tamanho do sensor. Assim como, o uso de conectores melhorará a estabilidade mecânica do sensor. Desta maneira, as montagens aqui realizadas e caracterizadas são um passo importante para o objetivo final de construir um microfone óptico capaz de captar uma faixa larga de frequências de áudio, assim como utiliza-lo em aplicações específicas. Agradecimentos Os autores agradecem ao Dr. Fabio Dondeo Origo por fornecer um microscópio óptico para medição do raio do núcleo das fibras ópticas utilizadas e ao Dr. João Marcos Salvi Sakamoto pelo apoio e discussão sobre problemas ópticos encontrados. A autora LSL agradece ao CNPq pela concessão de bolsa de iniciação científica. Referências (1) United States Patent Office A.G.Bell; S. Tainter. Photophone-tranmitter. US 235, dezembro (2) N. Bilaniuk. Optical microphone transduction techniques. Applied Acoustics, v. 50, n. 1, p , Jan (3) J.M.S. Sakamoto, G.M. Pacheco, E.C. Pimenta. Analysis of a single lens fiber optical microphone configuration. MOMAG, p , (4) J.M.S. Sakamoto, C. Kitano, G.M. Pacheco, B.R. Tittmann. High sensitivity fiber optic angular displacentment sensor and its application for detection of ultrasound, Applied Optics, v. 51, p , July (5) J.M.S. Sakamoto,G.M. Pacheco, C. Kitano, B.R. Tittmann, Geometrical parameter analysis of a high-sensitivity fiber optic angular displacentment sensor, Applied Optics, v. 53, n. 36, p , Dec (6) J.M.S. Sakamoto. Laser ultrasonics system with a fiber optic angular displacentment sensor p. Tese de doutorado. Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

186 186 (7) J.A Bucaro, N. Lagakos, B.H. Houston. Miniature high performance, low-cost fiber optic microphone, J. Acoust. Soc. Am., v. 118, p , Sep (8) M. Feldmann and D. Büttgenbach, Microoptical distance sensor with integrated microoptics applied to an optical microphone, IEEE Sensors, p , Nov Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

187 187 DESENVOLVIMENTO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE POR FOTOLITOGRAFIA EM CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO PRIMEIRA FASE A. Aumiller 1*, F. Dondeo 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho são mostrados os resultados da primeira fase para a produção de micromoldes para Carbono Vítreo produzidos pela técnica de fotolitografia. Nesta etapa, foram produzidas as primeiras estruturas periódicas de filme fotopolimerizável que será empregado como molde micrométrico para a obtenção de estruturas periódicas de carbono vítreo. Palavras-chave: Fotopolimerizador, Carbono Vítreo, Microestrutura, Molde. 1. Introdução O Carbono Vítreo Monolítico (ZARZYCKI, 1991) é um material carbonoso obtido através da carbonização de uma resina rica em carbono. No processo de carbonização, ocorre a formação de um material grafítico, com propriedades mecânicas parecidas com as dos vidros borossilicados e propriedades elétricas similares ao grafite. Devido à sua resistência química, capacidade de suportar altas temperaturas, pureza, impermeabilidade, o CVM tem sido muito aplicado nos últimos anos na produção de estruturas micrométricas para as mais diferentes aplicações. No presente trabalho, pretendeuse obter ranhuras micrométricas paralelas na superfície do carbono vítreo para a obtenção de padrões de rugosidade. O IEAv possui um dos poucos Laboratórios brasileiros acreditados pelo Inmetro para a medição de Rugosidade. De forma simplificada, pretende-se obter uma estrutura periódica de filme fino polimerizável por luz UV. Essa estrutura periódica será usada de micromolde (SCHUELLER, 1999) para se verter uma segunda resina, que é a resina furfurílica, da qual se pode produzir o Carbono Vítreo, após a sua carbonização em forno. 2. Metodologia A técnica de fotolitografia empregada consistiu primeiramente na seleção de um local com baixa radiação UV para não haver uma antecipação do processo de cura da resina fotopolimerizável. Empregou-se substratos cilíndricos de vidro polido para servir como base para a criação de um filme fino de photoresist. O substrato foi pré aquecido por 10 min a 100º C no aquecedor resistivo HotPlate,de modo a retirar a umidade da superfície. Em seguida, utilizando fita dupla face, fixou-se a amostra no centro do suporte do Spinning, equipamento que permite rotacionar o substrato até 7000 rpm. Gotejou-se 20 gotas de Photoresist de modo a cobrir toda a superfície do substrato de vidro. Cobriu-se o ambiente de rotação do Spinning com a tampa forrada de papel alumínio, para evitar exposição UV e iniciou-se o processo de rotação da amostra a 1000 rpm por 30 s, em seguida, 2000 rpm por 20 s. Após a rotação, pode-se observar a formação de uma fina camada de Photoresist na superfície da amostra. Com o objetivo de eliminar os voláteis e dar um pouco mais de rigidez ao filme fino, levou-se as amostras por 2 minutos para a estufa a 100º C. Em seguida colocou-se uma máscara comercial, entre uma lâmpada comercial UV e a amostra com padrão de linhas micrométricas, a qual deveria dar a forma do padrão fotopolimerizado na superfície da amostra. Com o sistema devidamente alinhado e a lâmpada de UV previamente aquecida, iniciou-se o processo de exposição UV por 2 minutos. Nesse processo os fótons de UV que atravessam a máscara por meio de regiões transparentes reagem com a resina fotossensível, de modo a tornar essa região mais suscetível a ser removida pelo líquido Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

188 188 Developer. Após a exposição UV, levou-se a amostra para o processo de revelação, com o Developer, que remove o material que sofreu interação da irradiação UV, formando microestruturas projetadas a partir da máscara. Em um béquer de 500 ml colocouse Developer (AZ 300 MIF) e por meio de uma cesta de teflon imergiu-se a amostra por 1 minuto, agitando-a continuamente. Após a revelação, verteu-se a amostra em água destilada para limpeza da amostra e a mesma estava pronta para ser caracterizada. 2.1 Materiais empregados - Substrato de vidro (ϕ= 2,5 cm); - Aquecedor HotPlate; - Agente de rotação Spinning; -Resina Photoresist AZ5214E IR Fotopolimerizável; - Estufa; - Máscara comercial para exposição UV com linhas periódicas paralelas com larguras de 1µm até 8μm; - Lâmpada UV; - Chapa de acrílico vermelho (bloqueador de UV); - Suporte para exposição UV; - Cesta de teflon; - Revelador Developer AZ 300 MIF; - Água destilada; - Microscópio Olympus BX 51; - Rugosímetro Taylor Robson PGI Resultados e Discussão A técnica de fotolitografia, embora bastante tradicional, exige que seja feita uma otimização do processo para cada caso, dado que existem muitos parâmetros para serem controlados, como a espessura do filme formado de resina, a rotação do spinning, o tempo de cura da resina, a potência da lâmpada, o tempo de exposição, o tempo de ataque químico no revelador, entre outros. O presente resultado mostra as primeiras estruturas periódicas obtidas pela replicação da forma da máscara usada, na superfície do substrato. Na Fig. 1a são mostradas três ranhuras paralelas formadas na superfície do substrato. Na Fig. 1b são mostrados o perfil transversal de altura, em micrometros, das três ranhuras, cuja variação de altura foi de aproximadamente 3 µm. Embora as ranhuras da máscara tenham largura da ordem de dezenas de micrometros, nota-se que a ranhuras obtidas foram da ordem de milímetros. Possivelmente o tempo de ataque químico foi elevado e deverá ser reduzido. a) b) µm L e n g th = m m Pt = µm Sca le = µm mm Fig. 1. a) Mapa bidimensional das ranhuras produzidas após a revelação da resina; b) perfil de alturas das ranhuras. 4. Conclusões Na primeira etapa deste trabalho, se obteve ranhuras paralelas sobre a superfície do vidro, indicando que os parâmetros escolhidos no processo foram adequados. Agradecimentos À EFO-S e aos Drs. Rafael Louzada e Jorge Ferreira, pelo apoio experimental. Referências ZARZYCKI, Jerzy. Materials Science and Technology A Comprehensive Treatment Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, SCHUELLER, Olivier, Brittain, Scott, Whitesides, George. Sensor and Actuators, A72, p. 125, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

189 189 DESENVOLVIMENTO DE SENSOR DE IONIZAÇÃO PARA TUBOS DE CHOQUE E DETONAÇÃO R. A. Cintra 1*, T. C. Rolim 2, C. S. T. Marques 2 Projeto: Sensores de Ionização. 1 Universidade Federal de Itajubá - Departamento de Mecânica, Itajubá MG. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho apresenta resultados preliminares do desenvolvimento de um sensor de ionização para a utilização em túneis de choque e detonação, baseando-se em um modelo existente na literatura. Para isso foram realizadas simulações numéricas em MATLAB, testou-se o circuito utilizando uma chama como fonte de gás ionizado, e fabricou-se o sensor e o adaptador para túneis de choque e detonação. Os resultados experimentais apresentaram tempos de resposta apropriados para aplicação em túneis de choque e detonação, além disso boa concordância foi encontrada com o modelo teórico. Palavras-chaves: Sensores de Ionização, Túnel de Choque, Detonação. 1. Introdução Recentemente, há um crescente interesse em estudos com sensores de ionização para aplicações aeroespaciais, geração de energia e pesquisa fundamental. Na pesquisa aeroespacial, eles têm sido utilizados em geral para estudos sobre ondas de choque e de detonação (Gupta, 2013; Panicker, 2008). No estudo de ondas de choque há um forte interesse na utilização de sensores de ionização no melhoramento de túneis de choque. De fato, para a simulação em laboratório das condições de um voo hipersônico são utilizados túneis de choque, que criam altas entalpias de estagnação através de um sistema de tubos preenchidos com gases a pressões diferentes (Lukasiewicz, 1973). Ondas de choque formadas nestes tubos podem atingir velocidades elevadas, com número de Mach correspondente de 6 a 8. Basicamente, uma onda de detonação é uma onda de choque conjugada com uma zona de reação de combustão, onde a energia liberada é responsável por sustentar a onda de choque que se propaga (Zeldovich, 1950). A zona de reação é dividida em duas regiões uma zona de indução e uma de adição de calor. O fenômeno de detonação é altamente energético e pode ser aplicado a sistemas de propulsão (Ex.: motores de detonação pulsada), geração de energia e como driver para túneis de choque hipersônicos (Lu, 2002). A alta temperatura gerada pelas ondas de choque e detonação possibilita a dissociação das moléculas de N 2 e O 2, presentes no ar, como pode ser verificado na Fig. 4, porém a temperatura em si é por vezes insuficiente para uma ionização direta de átomos e moléculas (Anderson, 1989). Na Tab. 1, temos o potencial de ionização para diversas espécies químicas. Fig. 4. Variação da fração molar de N 2, O 2, NO, N e O, presentes no ar, com a temperatura, na pressão de 1 atm. A formação de grandes quantidades de NO, somado ao seu baixo potencial de ionização, possibilita a ionização desta espécie através da diferença de potencial entre dois eletrodos, dentro das condições de operação do túnel de choque. Pode-se então, utilizar sensores de ionização (Glass et.al, 1959), como modelo descrito na Fig. 5. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

190 190 Tab. 1. Potencial de ionização de várias espécies. (NIST,2015). Espécie Potencial de Fórmula Ionização Química (KJ/mol) Óxido Nítrico NO 893,866 Radical de hidroperóxido HO ,12 Gás Oxigênio O ,56 Radical de Hidroxila OH 1255,96 Oxigênio O 1313,95 Nitrogênio N 1402,34 Gás Hidrogênio H ,39 Gás Nitrogênio N ,35 Argônio Ar 1520,52 MATLAB (MATLAB,2010), onde montamos o sistema mostrado na Fig. 6, os valores de componentes estão mostrado na Tab. 2. Um gerador de sinal degrau em conjunto com o elemento switch foi utilizado para simular o funcionamento do sensor quando ocorre a passagem da onda de choque. Simulou-se a resistência do meio através de RM. Fig. 6. Circuito elétrico para ionização. Fig. 5. Esquema de típico de sensor de ionização (Glass et al., 1959). Assim, com um par de sensores, com uma distância conhecida entre eles de x, e sendo t o atraso entre os sinais capturados do primeiro sensor em relação ao segundo, é possível determinar a velocidade da onda de choque ou detonação a partir de: x u (1) t 2. Materiais e Métodos O esquema mostrado na Fig. 5, foi utilizado como base para o projeto. O sensor foi construído em cerâmica com adaptador em aço inox. O circuito foi montado em uma placa padrão e foi impressa uma caixa em PLA para seu armazenamento. 2.1 Circuito Elétrico A ferramenta para a simulação do circuito elétrico escolhida foi o Simscape do Tab. 2. Valores de elementos do circuito da Fig. 6. Elemento Valor Unidade R1 10 MΩ R2 47 kω C1 0.5 nf RM Variável MΩ VDC 300 V A resolução temporal pode variar dependendo dos componentes do circuito, contudo ela pode ser estimada, seguindo a equação da constante de tempo do circuito, que é dada por: RC (2) 2.2 Fabricação do Sensor Após uma análise das condições às quais o sensor estará exposto nos tubos de choque e detonação, foi escolhido a cerâmica como material corpo do sensor, por ser um bom isolante elétrico e térmico, itens desejados para este experimento. A cerâmica utilizada foi um bastão de óxido de alumínio, com diâmetro de 6,11mm. Para a efetuação do corte da cerâmica foi utilizado uma serra diamantada Logitech modelo 15, com refrigeração a água para se obter um comprimento de 5mm. Após isso foi realizado a planificação através de um Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

191 191 prato diamantado. No processo de furação, utilizou-se uma furadeira Jensen modelo 334B500, foi também desenvolvido um suporte de aço inox, para a prensa da cerâmica. Para a furação foram utilizadas brocas de ponta diamantada, utilizadas na área odontológica. Inicialmente se utilizou a broca KG Sorensen nº3215, com Ø1,0mm. Cada broca conseguia avançar em média 0,5mm, no total foram utilizados 22 brocas para realização de dois furos de 5mm cada e uma broca Microdont nº 4124, com Ø1,6mm, para expandir o furo, foram utilizadas 2 brocas para essa segunda parte. Para facilitar e dar aderência no momento da furação utilizou-se um pó abrasivo de pasta diamantada SDP ½, diluído em água. Para os eletrodos foram escolhidos bastões de tungstênio-tório, pois suportam altas temperaturas com mínima erosão, a adição de tório facilita a passagem da corrente, aumentando a estabilidade da mesma, além de aumentar a longevidade do sensor. Para a fixação dos eletrodos na cerâmica foi utilizado a cola epoxi bicomponente da POXIPOL. explodida da montagem do sensor, vide Fig. 8 para detalhamento de cotas do sensor. Fig. 8. Desenho em corte do sensor fabricado em mm. Para o armazenamento do circuito elétrico foi impressa uma caixa a partir de uma impressora 3D, tipo FDM, modelo Velleman k8200, utilizando filamento PLA de Ø3mm. Vide Fig. 9. Fig. 9. Caixa para armazenamento do circuito elétrico. Fig. 7. Vista explodida dos elementos do sensor fabricado. O Adaptador do sensor foi usinado com comprimento de 28mm com rosca ½ x 20fpp e diâmetro interno de 6,35mm. Do mesmo modo, o conector do sensor foi usinado com comprimento de 26,75mm, diâmetro externo de 6,35mm e interno de 5mm, ambos foram usinadas pelo SUTEC/IEAv. Na Fig. 7, temos a vista Fig. 10. Esquema do ensaio realizado. 2.3 Instrumentação Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

192 192 Para o teste do sensor, foi utilizado o esquema apresentado na Fig. 10. Onde usouse uma chama como fonte de gás ionizado. O modelo do osciloscópio utilizado foi o Tektronix DPO3054 Digital Phosphor Oscilloscope, de quatro canais, com resolução temporal de 10ns. Sendo a fonte DC empregada de 300V. 3. Resultados e Discussão 3.1 Resultado das Simulações Utilizando o modelo da Fig. 6, foi possível variar o valor de RM = 10 6, 10 7, 10 8 e 10 9 Ω, e observar o sinal de voltagem no osciloscópio ao longo do tempo (Fig. 11). De 0ms a aproximadamente 10ms, se observa a carga do capacitor, posteriormente, em 50ms observa-se a descarga do capacitor em virtude do sinal degrau do switch. Os valores máximos de voltagem variaram de 0, a 12,08V. O gráfico da Fig. 12 mostra a variação da voltagem máxima do sinal em função da resistência elétrica do meio no intervalo de 10 6 a 10 9 Ω. Este gráfico será utilizado posteriormente para estimar a resistência elétrica do meio através de testes experimentais. Utilizando Eq. (2) podemos definir a constante temporal de carga e descarga do capacitor: 6 9 R C1 (1010 ) (0,5 10 ) ms c arg a 1 c arg a R C1 (4710 ) (0,5 10 ) 23, 5s desc arg a 2 desc arg a 3.2 Resultados Experimentais Com o auxílio de um protoboard, foi possível realizar um primeiro teste, utilizando a chama de um isqueiro, podendo assim definir a funcionalidade do sistema, e determinar a resistência elétrica do meio. NaTab. 3 temos os dados coletados pelo multímetro da voltagem nos eletrodos do sensor. Na Fig. 13 observamos o sinal medido no osciloscópio durante o intervalo de 2ms. O resultado teórico também está plotado para fins de comparação, pois a partir da voltagem máxima do resultado experimental de aproximadamente 0,10 V, estimou-se um valor de RM = 75,33 MΩ. Fig. 11. Voltagem da resistência elétrica do meio ao longo do tempo. Fig. 12. Voltagem em relação a resistência elétrica do meio. Tab. 3. Voltagem nos terminais. Voltagem na fonte Voltagem nos terminais 300V 130V Fig. 13. Comparação de sinais de voltagem obtido experimentalmente e o teórico. As discrepâncias entre os valores teóricos e experimentais são atribuídos a dificuldade de simular o degrau com a chama, o ruído Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

193 193 gerado pelas conexões elétricas e as impedâncias das mesmas. 4. Conclusões Um sensor de ionização para utilização em túneis de choque e detonação foi projetado, baseado no circuito de Glass et al. (1959). Simulações numéricas do circuito foram realizadas no MATLAB, e para a construção do sensor utilizou-se um elemento cerâmico para a isolação dos eletrodos de tungstênio-tório, e o adaptador para túnel de choque e detonação foi usinado em aço inox. Experimentos foram conduzidos com uma chama estática como fonte de gás ionizado, e os principais resultados foram: O tempo de resposta foi apropriado para aplicações em túnel de choque e detonação; Através de uma estimativa da resistência elétrica do meio o modelo matemático aplicado demonstrou-se eficaz para a modelagem do funcionamento do sensor. Para experimentos futuros, deve se utilizar o sensor de ionização em túneis de choque e motores a detonação. Agradecimentos Ao GIA-SJ pela bolsa PROHIPER, e apoio financeiro, ao IEAv pela infraestrutura, gostaria também de agradecer ao Sgt. Joely E. Ferraz, Marcos V. R. Santos, Luiz C. M. Lavras, Valéria S. F. O. Leite e Jose B. Chanes Jr., pela sua ajuda e orientação ao longo do desenvolvimento deste projeto. Referências ANDERSON, J. D. Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics. London, UK: McGraw-Hill, 2nd ed., GLASS, I. I.; HALL, J. G. Handbook of Supersonic Aerodynamics. Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory, GUPTA, N. K. M. Point Measurement of Detonation Wave Propagation Using Ion Gauge Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica, The University of Texas At Arlington, Arlington, LU, F. K.; MARREN, D. E. Advanced Hypersonic Test Facilities. AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics series, v. 198, LUKASIEWICZ, J. Experimental Methods of Hypersonics. New York, NY: Marcel Dekker, inc, MATLAB. Version (R2010a). Natick, Massachusetts: The Math Works Inc., PANICKER, P. K. The Development and Testing of Pulsed Detonation Engine Ground Demonstrators f. Tese de Doutorado em Engenharia Aeroespacial, The University of Texas At Arlington, Arlington, U.S. Department of Commerce; NIST Chemistry Webbook, Referência padrão NIST nº69. Disponível em: <http://webbook.nist.gov/chemistry/>. Acesso em 31 mar ZELDOVICH, Y. N., NACA Tech., Memo No 1261, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

194 194 EFEITOS DAS CARACTERÍSTICAS DE UM FEIXE LASER NA EFETIVIDADE DE UM DIRCM D. A. Nunes 1*, V. R. Almeida 1,2 Projeto: Aplicação de Armas de Energia Direcionada Utilizando Laser de Alta Potência. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica - São José dos Campos - SP. 2 Instituto de Estudos Avançados - São José dos Campos SP. Resumo Tendo em vista a futura incorporação de sistemas Laser como Contramedida de Energia Direcionada nas aeronaves da Força Aérea Brasileira, é realizado um estudo preliminar para avaliação do desempenho de um sistema DIRCM. São observadas as influências dos parâmetros de um Laser e identificado que a potência necessária para determinado objetivo é diretamente proporcional ao quadrado da qualidade do feixe (M²), bem como, a influência do perfil de distribuição da intensidade, pois a efetividade dos efeitos poderão se modificar em função do posicionamento do feixe. Palavras-chave: Laser, Contramedida, DIRCM. 1. Introdução Mísseis Infravermelho, especialmente os do tipo MANPADS (Man-Portable Air- Defence System), vem se proliferando mundialmente, sendo hoje produzidos por 25 países (McAULAY, 2011). O desenvolvimento de sensores mais avançados, em especial os do tipo FPA (Focal Plane Array), vêm tornando as técnicas de contramedidas convencionais, em especial o flare, obsoletas. Como forma de se contrapor à esse tipo de inovação, equipamentos denominados DIRCM (Directed Infrared Countermeasure), baseados em lasers, vêm sendo utilizados como um meio de proteção de aeronaves, causando efeitos de Despistamento, Dazzling (Cegamento ou Saturação) ou Dano Permanente no sensor do míssil que constitui a ameaça (TITTERTON, 2006). Esses sistemas já se encontram operacionais em diversas Forças Aéreas, e no Brasil, a primeira a aeronave a ser equipada com esse tipo de tecnologia será o KC-390, que utilizará um equipamento J- MUSIC, da empresa Israelense ELBIT. Conforme os experimentos realizados em SCHLEIJPEN (2007), foi possível identificar a capacidade de interferência em sensores FPA InSb (Antimoneto de Índio) e FPA CMT (Cromo Mercúrio Telúrio). O foco desse experimento era o efeito dazzling, e foi observado uma saturação total do sensor com a intensidade de 1 W/m 2. Nesse trabalho será analisada a influência que as características de um feixe laser exercem na potência necessária para determinado objetivo, bem como, a influência do perfil de distribuição de intensidade. 2. Metodologia Baseado nos dados disponíveis em SCHLEIJPEN (2007), SVELTO (2010) e SIEGMAN (1993), serão analisados os seguintes parâmetros: A relação entre o fator M² e a potência necessária em função da distância; e A influência da distribuição de intensidade do feixe na efetividade do equipamento; Em virtude das múltiplas possibilidades de fenômenos que podem influenciar na propagação e no perfil de comportamento de um feixe laser, foram definidos os seguintes parâmetros para estudo: Feixe mono modo TEM 00 (Transverse Eletromagnetic Mode 00); Devido à necessidade de estudos mais aprofundados, os efeitos atmosféricos foram desconsiderados; Fonte do equipamento Laser operando no modo CW; Baseado nos equipamentos e resultados obtidos pelo grupo de trabalho de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

195 Potência (W) 195 SCHLEIJPEN (2007), foram utilizados os seguintes dados: Laser CO 2 com frequência dobrada em 4,62 µm; Diâmetro de saída do feixe 20 mm; Sensor FPA CMT 256 x 256 pixels; Irradiância necessária para máxima saturação do sensor FPA - 1 W/m 2 ; Com esses parâmetros, primeiramente foi analisado a influência da qualidade de um feixe na definição de uma potência necessária (ou Potência que um equipamento deve possuir), em função da distância para a obtenção do efeito dazzling em um sensor FPA, sendo após, analisado o papel da distribuição de intensidade na efetividade do equipamento. A equação utilizada para se definir as variações axiais de um feixe laser em função da sua propagação numa direção z é dada por SIEGMAN (1993): (1) Onde z é a distância longitudinal, W x (z) é a cintura do feixe na posição z, (Fator de qualidade do Feixe) e W 0x a cintura inicial. Para grandes distâncias a Eq. (1) pode ser simplificada em (SVELTO, 2010): (1) Para o cálculo da intensidade, assumindo um feixe de perfil circular, temos: (2) Com isso, a relação entre a potência da fonte geradora do feixe (P 0 ), qualidade (M 2 ) e a distância (z), pode ser definida por: (3) Como o objetivo é avaliar a obtenção do efeito dazzling, já se conhecendo a irradiância necessária, temos que I(z) = 1W/m², desse modo: (4) Para o estudo da distribuição da intensidade, assumindo que o feixe apresenta o perfil Gaussiano, temos que: (5) Sendo I 0 a intensidade no centro do feixe, ou seja, I 0 = I z, e r a distância radial, variando de - W xz à W xz. Sabendo que o alcance dos armamentos MANPADS envolvem uma distância de engajamento de 4-7 km, os cálculos foram conduzidos utilizando-se z variando de 0-10 km. 3. Resultados e Discussão Baseando-se na Eq. (5), foi obtido o gráfico da Fig. 1, relacionando a Potência / Distância de efetividade para diferentes fatores M M² = 1 M² = 2 M² = 3 M² = 4 M² = 5 M² = 6 M² = Distância - km Fig. 14. Potência Necessária em função da distância e da qualidade do feixe. As Tab. 1 e 2 apresentam uma comparação das potências necessárias, em função do fator M 2, para que seja produzido um efeito de saturação total no sensor. Com esses dados, nota-se que a potência necessária que um equipamento laser deve possuir, para que seja atingido determinado objetivo, é diretamente proporcional ao quadrado da qualidade do feixe (M²). Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

196 Intensidade Normalizada (I = 1 W/m²) 196 Tab. 4. Comparação de potências para uma distância de 4 km. Fator M 2 Potência (W) Multiplicativo M 2 = 1 1 0, , x 3 1, x 4 2, x 5 3, x 6 5, x 7 7, x Tab. 5. Comparação de potências para uma distância de 7 km. Fator M 2 Potência (W) Multiplicativo M 2 = 1 1 0, ,910 4x 3 4,298 9x 4 7,640 16x 5 11,938 25x 6 17,191 36x 7 23,399 49x Deve ser levado em consideração também o perfil de distribuição radial da intensidade do feixe, que nesse caso, será avaliado utilizando-se o modo TEM 00, pois uma análise de outros tipos de perfis deve ser objeto de um estudo mais específico e aprofundado. Assumindo que o feixe é Gaussiano, utilizando-se a Eq. (6), foram obtidas as curvas da Fig. 2, que apresentam o comportamento desse feixe com divergências diferentes, considerando uma intensidade central de I 0 = 1 W/m² em uma distância z = 7 km. Para esse tipo de distribuição, qualquer variação radial da ordem de 50% do diâmetro do feixe, acarretaria em uma redução de 50% da irradiância incidente no sensor do míssil. Com isso, podemos concluir que o tipo de distribuição que um feixe apresenta é fator primordial na correta definição da real efetividade de um equipamento DIRCM M² = 1 / P = 0,4 W M² = 3 / P = 2,2 W M² = 7 / P = 23,3 W Distância Radial do centro do Feixe (m) Fig. 15. Distribuição de intensidade para diferentes divergências de feixe e intensidade I 0 = 1 W/m². 4. Conclusões Com base nas expressões utilizadas para o cálculo do comportamento de um feixe laser, foi possível estabelecer uma relação entre a qualidade do feixe (M²), distância (z) e a potência necessária para determinado objetivo. Pode-se concluir que a potência necessária é diretamente proporcional ao quadrado da qualidade do feixe (M²), e que esse fator isolado não fornece um panorama completo sobre a real efetividade de um equipamento. Conforme visto, a definição do perfil de intensidade torna-se obrigatória, pois caso esse detalhe não seja observado, erros de posicionamento do feixe na direção do alvo poderão gerar uma diminuição dos efeitos ou até mesmo sua extinção. Agradecimentos Agradeço ao meu orientador, Cel. Vilson Rosa de Almeida, pela paciência ao sanar minhas dúvidas, e aos amigos do Programa de Pós-Graduação em Aplicações Operacionais pela amizade e companheirismo. Referências McAULAY, A. D. Military Laser Technology for Defense: Technology for Revolutionizing 21st Century Warfare. John Wiley & Sons, SCHLEIJPEN, R. (H.) M. A. et al. Laser Dazzling of Focal Plane Array Cameras, in Optics/Photonics in Security and Defence, 2007, p O 67380O 10. SIEGMAN, A. E. Defining, measuring and optimizing laser beam quality, in OE/LASE 93: Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

197 197 Optics, Electro-Optics, & Laser Applications in Science& Engineering, 1993, pp SVELTO, O. Principles of lasers, 5th ed. New York: Springer, TITTERTON, D. H. DEVELOPMENT OF INFRARED COUNTERMEASURE TECHNOLOGY AND SYSTEMS, IN MID- INFRARED SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS, VOL. 118, A. KRIER, ED. SPRINGER LONDON, 2006, PP Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

198 198 ENHANCED TERAHERTZ TRANSMISSION THROUGH 3D NON- SPHERICAL TERAJETS A. L. S. Cruz 1,2*, C. M. B. Cordeiro 3, M. A. R. Franco 1,2 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados,Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 UNICAMP Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas SP. Resumo Neste trabalho é demonstrada a capacidade de objetos dielétricos não-esféricos de gerar terajets - similares aos nanojets fotônicos, porém em frequências Terahertz. Foram numericamente investigadas três geometrias com formato não usual e os resultados foram comparados com uma esfera dielétrica comum. O comportamento do foco dos terajets foi investigado e uma das geometrias propostas apresentou um aumento na potência de ~32 vezes com respeito a potência da onda incidente. Excitando as geometrias com frequências harmônicas, a potência no ponto focal pode alcançar uma intensidade melhorada de ~64 vezes. Abstract In this paper we demonstrate the capability of non-spherical dielectric objects to generate jets at Terahertz frequencies, similar to the photonic nanojets. We have numerically investigated three geometries with non-usual shape and compared them with a common dielectric sphere. The focusing terajet performance was evaluated and one of the proposed geometries shown an enhancement power of ~32 times with respect to the incident wave power. Using harmonic frequencies to excite the geometries, the power enhancement can achieve an intensity of ~64 times. Keywords: Terahertz, Terajet, Nanojet, Lens, Terahertz Microscopy. 1. Introduction The first definition of a photonic nanojet as distinct electromagnetic device and the coining of the term photonic nanojet were reported in 2004 by Chen (CHEN, 2004). Since then, many works are being developed focusing on properties, and potential applications of the photonic nanojet (HEIFETZ, 2009). A photonic nanojet is a narrow, nonevanescent and high-intensity beam of electromagnetic wave that emerges from the shadow-side surface of a plane-waveilluminated dielectric microsphere of diameter larger than the wavelength, λ 0, and has a subwavelength waist. The full-width at half-maximum (FWHM) of transverse beam-width can be smaller than the classical diffraction limit, ~ λ 0 /3 in microspheres (HEIFETZ, 2009), what overcomes the limit imposed by diffraction of electromagnetic waves. Due their properties, photonics jets present potential application for detecting (LI, 2005; HEIFETZ, 2007), sizing (LI, 2005; HEIFETZ, 2007) and manipulating nanoscale particles (CUI, 2008), enhanced of Raman scattering (DANTHAM, 2011), scanning (PACHECO-PEÑA, 2015) and microscopy (RUIZ, 2010). Recently, works have demonstrated, numerically and experimentally, the ability to produce jets at sub-terahertz and terahertz (THz) frequencies, called terajets (PACHECO-PEÑA, 2015; PACHECO-PEÑA, 2014) The purpose of a dielectric structure operating at THz range, is related to the increasing advancement of THz technology to application in several areas, such as biology and medicine (SIEGEL, 2004), telecommunications (SONG, 2011) and spectroscopy (SAHA, 2012). The THz waves, between μm spectrum range ( THz), have received such attention because they have low energy, good penetration in many materials and can be transmitted with negligible losses in dry air. In this paper, we numerically demonstrate the ability of a dielectric sphere and other three 3D non-spherical dielectric geometries to produce jets in the THz frequencies. Numerical analyzes based on Finite Difference Time Domain method (FDTD) were performed to evaluate the power Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

199 199 enhancement distribution in the vicinity of the dielectric geometries. For completeness, we numerically evaluate the focusing properties of non-spherical objects at harmonics THz frequencies. 2. Numerical modeling To evaluate the terajet and the backscattering properties of proposed 3D geometries, the transient solver of the commercial software CST Microwave Studio TM was used. The 3D geometries were modeled inside a computational domain with a background index n=1 (vacuum) and open boundary conditions. The excitation was a vertically (E y ) polarized plane wave at f 0 = 0.1 THz (λ 0 = mm). The considered refractive index to the geometries was n=1.44, equivalent to low-density polyethylene (PTFE) at THz frequencies 13. The considered axisymmetric geometries and the geometrical parameters are presented in Figures 1(a)-(d), A, B, C and D geometries, respectively. The geometry A is a common sphere with diameter d=5 mm. The geometry B presents length l=6 mm, front diameter d f =8 mm and bottom diameter d b =4 mm. Geometry C presents l=6 mm, d b =6 mm, and a longitudinal section formed by a equilateral triangle. Finally, the geometry D presents a of length l=3.75 mm, d f =2.25 mm, d y =6 mm and z radius r z =1.5 mm. 3. Numerical Results The application of jets to microscopy and scanning is mainly limited by the short length of the jet. Recently, some works explore the condition to have jets outside geometry (PACHECO-PEÑA, 2014) and long length (RUIZ, 2010) since jets with short length just allows detecting particles near the geometry surface. Non-spherical geometries have demonstrated ability to produce jets outside the structure (PACHECO-PEÑA, 2014; LIU, 2014). The Figure 1(a)-(d) also present the terajets emerging from the surface of 3D objects at 0.1 THz. It can be observed in Figure 1(a) that the high-intensity terajet is partially located inside the geometry, resulting less power at focal position. When the geometry shape is changed, the terajet shift outside the structure having more power at focal position besides a longer length. Fig. 1. Power flow of 3D (a) spherical geometry and (b)-(d) non-spherical geometries at frequency of 0.1 THz and respective geometrical parameters. The primary properties to characterize jets are the width and the length, where the width determines the resolution of the terajet and the length indicates the scanning depth capacity. The FWHM along y transversal direction at focal point to geometries A, B, C and D are 0.418λ 0, 0.396λ 0, 0.593λ 0 and 0.55λ 0, respectively. Previous works demonstrate that 3D geometries present a quasi-symmetric terajet (PACHECO-PEÑA, 2014), and then it was considered the same resolution to x-y axis. The Figure 2(a) shows the enhanced power along y-axis at the focal point of each structure. The enhanced power was obtained by normalizing the terajet results with that obtained without the presence of geometry. It can be notice that the geometry B presents an intensity enhancement ~32 times the incident pane wave and the FWHM of 0.396λ 0. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

200 200 (a) (b) Fig. 2. (a) Enhanced power distribution along y-axis. (b) Enhanced power distribution along z-axis. The Figure 2(b) shows the enhanced power along de z-axis. With this information, it is possible to determine the terajet exploration range (Δ z ) as the distance from the focal point at which the intensity enhancement decays to half of its maximum value ((PACHECO-PEÑA, 2014). The Δ z from the focal point is 0.45λ 0, 0,5λ 0, 1.6λ 0 and 1.1λ 0 to geometry A, B, C and D respectively. These values demonstrate that terajets with low intensity power decay smoothly compared to the high intensity terajets. Focusing on microscopy and particle detection based on backscattering enhancement, the geometries with long exploration jet range could be a better solution (HEIFETZ, 2006). We analyzed the terajet enhancement power and Δ z at higher harmonic frequencies. In Figure 3(a)-(b) the enhanced power is presented to fundamental frequency f=f 0 (λ 0 = mm), first f=2f 0 (λ 0 /2= mm) and second f=3f 0 (λ 0 /3= mm) harmonic frequencies. To all geometries and frequencies a terajet is produced (shown inset Figure 3(a)-(d)), but only the geometry B presents a terajet with focus point inside the structure at λ 0 /2. As can be noted, the highest intensity is obtained at λ 0 /3 and the longest Δ z at λ 0 (excluding geometry B at λ 0 /2). Besides, when the frequency is increased the terajet width becomes narrow. To all evaluated harmonic frequencies, subwavelength resolution is achieve. 3. Conclusion The ability of non-spherical geometries to produce jets at THz frequencies (0.1 THz) was numerically demonstrated. The comparison among a terajet produced by a sphere and non-usual shapes demonstrates that when the geometry shape is changed, the terajet shift outside the structure having more power at focal position besides a longer length. The geometry B presents an intensity enhancement ~32 times with respect to the incident pane wave and a high spatial resolution width of 0.396λ 0. The production of terajets were investigated for harmonic frequencies of f 0. All geometries at all frequencies produce a terajet, excluding geometry B at λ 0 /2. Moreover, the highest intensities are obtained at λ 0 /3 and the longest Δ z at λ 0. Besides, when the frequency is increased the terajet width becomes narrow achieving subwavelength resolution which could be applied in terahertz microscopy devices. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

201 201 Fig. 3. Analysis of enhanced power distribution along z-axis to fundamental f(λ0) and harmonic f(λ0/2, λ0/3) frequencies for (a) geometry A, (b) geometry B, (c) geometry C and (d) geometry D. Acknowlegments This work was partially supported by CNPq and FAPESP in the project INCT- Fotônica para Comunicações Ópticas (Fotonicom) and CAPES. We thank Rodrigo Enjiu for supporting with CST Microwave Studio TM. References CHEN, Z.; TAFLOVE, A.; BACKMAN, V. Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: A potential novel visible-light ultramicroscopy technique. Opt. Express, v. 12, n. 7, p , Fev CUI, X.; ERNI, D.; HAFNER, C. Optical forces on metallic nanoparticles induced by a photonic nanojet. Opt. Express, v. 16, n. 18, p Set DANTHAM, V. R.; BISHT, P. B.; NAMBOODIRI, C. K. R. Enhancement of Raman scattering by two orders of magnitude using photonic nanojet of a microsphere. J. Appl. Phys. v. 109, n , Maio HEIFETZ, A. et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet. Appl. Phys. Lett., v. 89, , Nov HEIFETZ, A. et al. Photonic Nanojets. Opt. Express, v. 6, n. 9, p , HEIFETZ, A.; TAFLOVE, A.; BACKMAN, V. Subdiffraction optical resolution of a gold nanosphere located within the nanojet of a Mie-resonant dielectric microsphere. Opt. Express, v. 15, n. 25, p , Dec JIN, Y.-S.; KIM, G.-J; JEON, S.-G. Terahertz Dielectric Properties of Polymers. J. of the Korean Society, v. 49, n. 2, p , Ago LI, X. et al. Optical Analysis of Nanoparticles via Enhanced Backscattering Facilitated by 3-D Photonic Nanojets. Opt. Express, v.13, n. 2, p , Jan LIU, C.-Y.; CHANG, L.-J.; YANG, L.-J. Photonic Nanojet in Non-spherical Micro-particles. In: 9 th IEEE Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 9, 2014, Hawaii. Proceedings... [S.l.: s.n.], p , PACHECO-PEÑA, V. et al. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets. Opt. Lett., v. 40, n. 2, p , Jan PACHECO-PEÑA, V. et al. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett., v. 105, n , (2014). RUIZ, C. M.; SIMPSON, J. J. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets. Opt. Express, v. 18, n. 16, p , Ago SAHA, S. C. et al. Terahertz Frequency-Domain Spectroscopy Method for vector characterization of liquid using an artificial dielectric. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, v. 2, n. 1, p Jan Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

202 202 SIEGEL, P. H. Terahertz technology in biology and medicine. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, v. 52, n. 10, p , Out SONG, H. Present and future of terahertz communications. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, v. 1, n. 1, p , Set Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

203 203 ESTUDO DA CAPACIDADE DE SOBREVIVÊNCIA EM COMBATE DE UMA AERONAVE COM ÊNFASE NA REDUÇÃO DA ASSINATURA INFRAVERMELHA A. G. R. Werneck 1, R. A. T. Santos 2, J. E. B. Oliveira¹, F. Sircilli 3* 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PPGAO, São José dos Campos SP. 2 Núcleo do Instituto de Aplicações Operacionais Divisão de Avaliação Operacional, São José dos Campos SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. Resumo Será feito um estudo dos fundamentos que regem a capacidade de sobrevivência em combate da aeronave, detalhando as técnicas para seu aprimoramento, principalmente no que tange a redução de susceptibilidade. Para isso, serão realizados cálculos numéricos que permitam a construção de um gráfico do qual será feita a análise da influência da variação da assinatura infravermelha no alcance máximo de um sistema de detecção. Palavras-chave: Susceptibilidade, Infravermelho, Assinatura infravermelha. 1. Introdução Estabelecer a superioridade aérea logo no início de um conflito é uma das chaves do sucesso na guerra moderna, como foi demonstrado no Golfo (1991), em Kosovo (1999) e no Afeganistão ( ) (Rao, 2005). Para tanto, as aeronaves militares precisam ter uma grande capacidade de sobrevivência em ambientes hostis criados pelo inimigo, o que pode ser alcançado através da redução de sua susceptibilidade e de sua vulnerabilidade. Uma das ameaças que mais tem se desenvolvido nas últimas décadas são os mísseis com guiamento infravermelho. Eles adquirem e interceptam a aeronave de forma passiva através da detecção da energia infravermelha emitida pelo alvo aéreo. Por serem fabricados de forma relativamente barata e pela facilidade do seu uso foram amplamente difundidos tornando-se uma das armas mais mortais existentes desde a sua criação na década de 60. Para exemplificar, entre 1979 e 1993, os mísseis infravermelhos foram responsáveis por 89% de todas as aeronaves abatidas (Sully, 1996). Uma das soluções para evitar ser atingido por este armamento é reduzir o envelope infravermelho da aeronave. Desta forma, o objetivo deste trabalho é fazer um estudo dos fundamentos que regem a capacidade de sobrevivência em combate da aeronave (CSCA), enfatizando a influência da redução da assinatura infravermelha da aeronave no alcance máximo de um sistema de detecção infravermelho. Para isso, na Seção 2 serão colocadas as definições de CSCA com um maior detalhamento nas técnicas para seu aprimoramento, principalmente quando tratando da redução de susceptibilidade. Na sequência, a definição de assinatura infravermelha da aeronave e as equações para o cálculo do alcance máximo de detecção serão apresentadas na Seção 3. Os resultados e discussões serão feitos na Seção 4, seguidos da conclusão. 2. Definição de CSCA A potencialidade de uma aeronave de evitar ou resistir a um ambiente hostil, criado de forma intencional pelo inimigo, é definida como capacidade de sobrevivência em combate da aeronave (Ball, 2003). Para sobreviver em combate, primeiramente é desejável que uma aeronave cumpra sua missão sem que seja percebida pelo inimigo ou que, pelo menos, não esteja em seu raio de ação. Quanto mais discreta uma aeronave for para as defesas inimigas, menos suscetível ela estará de ser atingida por um armamento rival. Ou, então, podemos dizer que a inabilidade de uma aeronave em evitar os elementos de uma defesa aérea inimiga é referida como susceptibilidade da aeronave. A susceptibilidade está intrinsecamente relacionada a três fatores: a quantidade e a capacidade do armamento inimigo; ao projeto básico da aeronave e aos seus Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

204 204 sistemas de autodefesa; e à tática aérea empregada durante o conflito. Entretanto, nem sempre é possível a uma aeronave de combate ingressar em território hostil de forma despercebida. Neste caso, sendo detectada e estando dentro do raio de alcance do armamento inimigo, as chances de ser atingida aumentam significativamente. A partir do momento em que a aeronave seja alvejada, quanto maior for sua capacidade de resistir ao dano causado, menor será considerada sua vulnerabilidade. Ou seja, a inabilidade de uma aeronave em resistir aos elementos de defesa aérea inimiga é referida como vulnerabilidade da aeronave. A vulnerabilidade é influenciada pelos seguintes fatores: tamanho, tipo e número de armamentos inimigos que atingem a aeronave; projeto básico da aeronave; e pelos equipamentos de segurança e sobrevivência que reduzem os efeitos dos danos quando a aeronave é atingida. A susceptibilidade e a vulnerabilidade quando avaliadas conjuntamente passam a ser chamadas de potencial de derrota da aeronave, que representa a inabilidade de uma aeronave em evitar e resistir ao ambiente hostil criado pelo inimigo (Ball, 2003). O potencial de derrota é inversamente proporcional à capacidade de sobrevivência de uma aeronave, ou seja, a redução do primeiro implica no aumento da segunda, e vice-versa. 2.1 Aprimoramento da CSCA A suposição otimista de que uma aeronave nunca será atingida no decorrer de todos os anos de sua operação em combate não deve ser verdadeira. Por outro lado, a suposição pessimista de que uma aeronave certamente será abatida após ser atingida e de que nada poderia ou deveria ter sido feito para que isso fosse evitado, também parece estar errada. No melhor cenário possível, uma aeronave em combate raramente seria atingida, mas, quando isso ocorresse, ela poderia, pelo menos, retornar para o território amigo. Dessa forma, qualquer característica particular da aeronave, peça específica do equipamento, concepção técnica, armamento, ou tática que reduza tanto a susceptibilidade quanto a vulnerabilidade da aeronave tem o potencial de aumentar as suas chances de sobrevivência em combate e é referida como um recurso de aprimoramento da CSCA (Ball, 2003). De maneira geral, a CSCA pode ser aumentada ou aprimorada de três formas: durante a fase de concepção do projeto, onde a inserção dos recursos não causa um impacto significante no custo, peso ou desempenho da aeronave; após a aeronave já estar pronta, com a adição de elementos extras ao projeto que aumentam o custo, o peso e o arrasto da aeronave, além de diminuir seu desempenho; ou através da utilização adequada da aeronave, onde táticas e estratégias de combate podem otimizar a operação dos recursos, fazendo com que se atinja um desempenho ótimo dos dispositivos embarcados. Deve-se levar em consideração que, quanto mais cedo os recursos de CSCA forem incorporados ao projeto, melhor será o custo-benefício e menores serão as penalidades. Frequentemente, as penalidades associadas com a adição tardia de recursos no ciclo de projeto ou durante a modernização de uma aeronave podem ser tão severas que o recurso não é incorporado. Entretanto, nem todos os recursos da CSCA serão apropriados ou necessários para uma aeronave em particular, cumprindo uma missão específica. Cada um deles possui uma importância relativa quando se leva em conta o tipo de missão que a aeronave terá que cumprir, o apoio das forças amigas que a acompanharão durante a operação e a densidade e efetividade das armas da defesa aérea inimiga. Dessa forma, os seguintes objetivos devem ser levados em consideração: 1. A identificação antecipada e a incorporação com sucesso dos recursos específicos da CSCA que aumentam o custobenefício do emprego da aeronave em combate e de sua efetividade como um sistema de armas. 2. Em situações onde uma aeronave apresente severos danos oriundos de um ataque inimigo e que, invariavelmente, não consiga permanecer voando por muito tempo, os recursos de aperfeiçoamento da CSCA devem permitir uma degradação suave das capacidades do sistema, de tal forma que a tripulação, pelo menos, tenha a chance de ejetar ou de realizar um pouso forçado no território amigo. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

205 Redução da susceptibilidade A redução da susceptibilidade, também conhecida como anulação da ameaça, é conseguida pela diminuição da probabilidade da aeronave ser detectada, rastreada, engajada e atingida. Pode ocorrer de forma permanente ou temporária através da destruição de um ou mais componentes essenciais da defesa aérea inimiga, com os seguintes objetivos: atrasar ou negar a detecção da aeronave; atrasar ou prevenir o lançamento de um míssil ou o disparo de uma arma; e diminuir o raio de ação do armamento inimigo, permitindo uma maior aproximação com segurança da localização desejada. De forma geral, a redução da susceptibilidade pode ser englobada em seis categorias (Ball, 2003): 1. Alarme de ameaça esse sistema é composto por equipamentos como o Radar Warning Receiver (RWR) ou Missile Approach Warning System (MAWS). Informam a tripulação sobre o tipo e a localização do sistema de rastreio que estão ameaçando a aeronave ou sobre o lançamento de um míssil em sua direção; 2. Interferidores ou equipamentos de contramedidas eletrônicas podem ser usados a partir da aeronave detectada, enviando sinais enganadores ou ecos de um alvo falso, no intuito de quebrar o acompanhamento de um sistema de rastreamento, evitando assim um engajamento indesejado; 3. Dispensadores são dispositivos (chaff e flare) que podem camuflar ou apresentar um alvo falso para o sistema de detecção; 4. Supressão de ameaças é efetuada pelo lançamento de mísseis antirradiação que navegam em direção aos radares em operação. Pode ser feita através do uso de mísseis e armas de fogo da própria aeronave, pelo apoio de escoltas aéreas ou de unidades terrestres amigas ou pelo uso de aeronaves dedicadas à missão de supressão ou destruição da defesa aérea inimiga; 5. Armas, táticas, desempenho de voo, treinamento e proficiência da tripulação Armas e táticas são desenvolvidas para minimizar a exposição da aeronave para os sistemas de defesa aérea inimiga enquanto cumprem os objetivos da missão. O lançamento de munições de longa distância ou de guiamento passivo de precisão fora do envelope dos armamentos de defesa é um exemplo disso. O desempenho de voo da aeronave, o treinamento e a proficiência da tripulação no seu exigente e perigoso papel talvez seja um dos mais importantes recursos de aprimoramento CSCA, pois determinam o resultado de circunstâncias que não puderam ser previstas durante o planejamento da missão; 6. Redução de assinatura recursos que reduzem as assinaturas, que são as características pelo qual a aeronave possa ser detectada, degradam a habilidade do sistema inimigo para detectar, localizar, identificar e rastrear com acurácia. Quando as assinaturas de uma aeronave são reduzidas a um nível muito baixo, ela passa a ser chamada de furtiva. Existem, pelo menos, quatro tipos de assinaturas e será feita uma breve descrição de cada uma delas com ênfase em sua redução: Acústica é formada pelos ruídos produzidos pelos vários sistemas da aeronave durante sua operação. A redução desta assinatura é feita através da mudança de distribuição das frequências para uma faixa que não esteja no alcance auditivo e pelo uso da atenuação para diminuir o nível de potência de cada frequência das ondas sonoras emitidas (Ball, 2003). Visual é formada pelo contraste existente entre a aeronave e o plano de fundo, na faixa espectral do visível. O controle é feito através de métodos que minimizam esse contraste, levando em consideração quatro parâmetros: luminescência, cromaticidade, poluição visual e movimento. Algumas áreas que requerem atenção são o brilho do escapamento do motor, o reflexo do para-brisa, a forma da fuselagem e a iluminação da aeronave (Ball, 2003). Radar é composta pela reflexão ou espalhamento da radiação de microondas que incide no alvo e forma o eco radar. A potência do eco radar é diretamente proporcional à seção reta radar ou radar cross section (RCS). Os dois principais procedimentos básicos para a redução do RCS estão Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

206 206 relacionados à geometria (tamanho e formato) da aeronave e ao uso de materiais absorvedores da radiação de micro-ondas incidente. A geometria apropriada faz com que o sinal refletido pela aeronave se propague em direções diferentes do sinal incidente. Com essa técnica é possível reduzir a contribuição para o RCS de várias partes da aeronave. Os materiais absorvedores são, então, usados para diminuir a RCS de áreas cujos formatos não possam ser otimizados. Infravermelha: esta assinatura será estudada de forma mais ampla na seção a seguir. 3. Assinatura infravermelha e alcance máximo de detecção A assinatura infravermelha da aeronave é composta pela radiação emitida e refletida na faixa do espectro eletromagnético com comprimento de onda entre o visível e as micro-ondas. A contribuição da radiação emitida para a assinatura infravermelha é constituída de três fontes principais de radiação: a oriunda do aquecimento causado pelo atrito aerodinâmico formado na fuselagem; a emitida pelo sistema de propulsão; e a emitida pelos gases de exaustão ou pluma dos motores. A contribuição relativa de cada uma dessas fontes para a formação da assinatura infravermelha depende da geometria da aeronave, dos materiais que compõem a superfície e do ângulo de aspecto em relação ao observador. Em geral, as superfícies sólidas emitem e refletem radiação infravermelha com uma intensidade que varia em função de sua emissividade (ε), do comprimento de onda (λ) e da temperatura (T). Entretanto, toda essa radiação sofre uma atenuação em função da sua propagação pela atmosfera antes de ser medida pelo sistema de detecção como irradiância (N), dada em watts/m 2. Assumindo que o campo de visada do detector não seja completamente preenchido pelo alvo, a irradiância no detector é dada por (Rao, 2005): (1) onde L a é a radiância da aeronave, L b é a radiância do plano de fundo, ω a é o ângulo sólido da aeronave, ω b é o ângulo sólido do campo de visada do detector e τ atm é a transmitância atmosférica. A grande maioria dos sistemas de detecção usam retículos para modular a radiação incidente. Com isso, conseguem rastrear o alvo em azimute, através da discriminação entre a aeronave e o plano de fundo (Rao, 2005). Considerando essa distinção entre alvo e plano de fundo obtida pelo retículo, além da definição de ângulo sólido, a Eq. (1) toma a seguinte forma: (2) onde A a é a área projetada da aeronave em relação a normal com o ângulo de visada e R é a distancia entre o alvo e o detector. Com o produto da multiplicação entre a diferença das radiâncias e A a existentes na Eq. (2), obtêm-se (3) onde I c é a Intensidade de contraste. O alcance máximo de detecção R max é obtido na situação em que o valor do sinal iguala-se ao do ruído e é representado pela Eq. (4) (4) onde NEI é a irradiância equivalente ao ruído. Um modelo simplificado da transmitância atmosférica é dado pela lei de Bouguer, Eq. (5), onde γ é o coeficiente de extinção. (5) Substituindo a Eq. (5) na Eq. (4), obtêmse: 4. Resultados e Discussão (6) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

207 Distância [Km] 207 Reduzir a assinatura infravermelha da aeronave significa diminuir ou mascarar I c, o que pode ser conseguido através da redução: da temperatura das partes quentes, da área radiante e da emissividade das superfícies aquecidas, da temperatura dos gases de exaustão e das superfícies refletoras. A redução da assinatura infravermelha torna a aeronave menos susceptível a um ataque inimigo, pois degradará a capacidade de detecção e de rastreio por parte do armamento rival. Para analisar esta degradação, o alcance máximo de detecção será analisado em função da variação da intensidade de contraste que forma a assinatura infravermelha da aeronave. Isso é feito avaliando a Eq. (6) que, por ser uma equação transcendental, foi avaliada numericamente em MATLAB (MathWorks, 2015). Os resultados são apresentados na Fig. 1 para vários valores de γ. Para qualquer valor de γ, verifica-se que o alcance máximo de detecção diminui com a redução da razão I c /NEI. Como NEI é um valor que depende das características intrínsecas ao sistema de detecção, ele é constante para dado detector. Nesse caso, a variação de I c, grandeza radiométrica que representa o envelope infravermelho da aeronave, é que determina a distância de máximo alcance do sistema de detecção, para um plano de fundo constante = 0.08 = 0.15 = 0.20 = 0.30 = 0.50 MÁXIMO ALCANCE DE DETECÇÃO Ic/NEI [m²] Fig. 1. Alcance máximo de detecção em função da intensidade radiante do alvo. De acordo com a curva calculada para γ=0,30 apresentada na Fig. 1, tem-se que ao reduzirmos o valor de I c /NEI de 2x10 9 para 2x10 8, o alcance máximo do sistema de detecção será reduzido de 10 km para 6 km. Isso exemplifica que a redução do envelope infravermelho da aeronave degrada o alcance máximo do sistema de detecção, o que implica na diminuição da susceptibilidade do alvo e, consequentemente, no aumento da CSCA. 5. Conclusões A guerra moderna exige aeronaves com grande capacidade de sobrevivência em ambientes hostis para o estabelecimento da superioridade aérea. Isso aponta para o aprimoramento da CSCS, que pode alcançado através da redução da susceptibilidade e da vulnerabilidade. Dentro deste contexto, uma das ameaças que mais tem se desenvolvido nas últimas décadas são os mísseis com guiamento infravermelho. Uma das soluções encontradas para diminuir a susceptibilidade de alvos aéreos à este tipo de armamento é a redução do envelope infravermelho da aeronave. Desta forma, o estudo dos fundamentos que regem a CSCA ganha relevante importância, principalmente se levarmos em consideração a influência da redução da assinatura infravermelha da aeronave no alcance máximo de um sistema de detecção infravermelho. Cálculos numéricos deram origem a um gráfico que serviu como base para exemplificar que a redução do envelope infravermelho da aeronave degradava o alcance máximo do sistema de detecção, fazendo com que o objetivo deste trabalho fosse alcançado. Os benefícios da redução de assinatura infravermelha são a degradação da capacidade de detecção e rastreamento por parte do inimigo e a diminuição do tamanho e da potência requerida para os dispositivos de contramedidas em função do aumento de sua efetividade. Referências [1] RAO, G. A; Mahulikar, S. P. New criterion for aircraft susceptibility to infrared guided missiles. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

208 208 Aerospace Science and Technology. Vol 9, n.8, p , [2] SULLY, P. R.; et al. Development of a tactical helicopter infrared signature suppression (IRSS) system. Advances in Rotorcraft Technology. Ottawa, [3] BALL, R. E. The fundamentals of aircraft combat survivability analysis and design. Second edition. Reston: AIAA, Inc p. [4] MATHWORKS, Inc. MATLAB Primer, Natick: Disponível em: <https://www.mathworks.com/help/pdf_doc/matlab/g etstart.pdf> Acesso em: 15 maio Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

209 209 ESTUDO DA DISTRIBUIÇÃO DE FULIGEM AO LONGO DE UMA CHAMA DIFUSIVA DE GLP C. F. Nunes 1,2 *, L. T. Tolomelli 2, L. G. Barreta 2, D. Carinhana Jr 2 Hípervel: Diagnóstico de fuligens aplicado à chamas. 1 Universidade do Vale do Paraíba FEAU, Faculdade de Engenharias, Arquitetura e Urbanismo SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo O estudo da formação de partículas de fuligem vem ganhando importância no cenário científico devido aos seus efeitos causados ao meio ambiente e a saúde humana. Fazendo-se necessários estudos de mecanismo de sua formação. Este trabalho tem como finalidade o mapeamento de uma chama difusiva de GLP com relação à concentração de fuligem. A técnica utilizada para determinação da concentração relativa de fuligem, foi a técnica de incandescência induzida por laser. O mapeamento foi realizado verticalmente na chama. A posição dos pontos no eixo vertical da chama manteve-se fixa na região central. O maior sinal de emissão de radiação pela fuligem foi obtido na altura de 4,7 cm acima do topo do queimador, onde a maior emissão natural da chama é observada. Palavras-chave: Combustão, Fuligem, LII. 1. Introdução Os estudos dos processos de combustão são de grande relevância para os dias atuais, atuando como fonte de energia para setores industriais, automotivos, aeroespaciais domésticos entre outros (Tolomelli, 2012). Em uma reação de combustão ocorrerá a oxidação dos constituintes dos combustíveis capazes de serem oxidados através de reações exotérmicas e rápidas. Desta forma, em uma combustão completa, todo carbono (C) contido no combustível é oxidado para dióxido de carbono (CO 2 ), todo hidrogênio (H 2 ) para água (H 2 O). Entretanto, na maioria das aplicações práticas, a combustão ocorre de forma incompleta, onde são formados produtos nocivos à saúde humana e ao meio ambiente, tais como: dióxido de enxofre, óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono, hidrocarbonetos parcialmente oxidados, aldeídos e material particulado (Turns, 2000; Almeida, 2008). O material particulado pode ser formado por fontes sólidas, líquidas, emitidas por fontes de poluição do ar ou aquelas formadas na atmosfera. A fuligem é o principal componente do material particulado emitido em uma queima e sua presença na atmosfera é nociva ao meio ambiente e à saúde humana (Joshua, 2003). Denomina-se fuligem as partículas formadas nas regiões da frente de chama. A sua formação está associada às reações de craqueamento dos hidrocarbonetos, ou seja, complexas reações em fase gasosa que geram núcleos condensados sólidos. Essas reações competem com o mecanismo de oxidação dos hidrocarbonetos, ocorrendo com maior frequência em situações de combustão rica em combustível e elevada temperatura (Williams, 1976). A técnica de incandescência induzida por laser (LII, do ingês Laser-induced incandescence) é baseada na detecção da radiação emitida pelas partículas de fuligem ao serem irradiadas por um laser pulsado com a energia suficientemente alta a temperatura da fuligem à temperatura de vaporização, cerca de 4000 K. O processo de absorção da radiação do laser e emissão de radiação é mostrado na Fig. 1. Ao serem irradiadas por um pulso de laser de alta energia, as partículas de fuligem sofrem os seguintes processos: a absorção de energia do laser, a vaporização de partículas, a condução de calor para o ambiente, a radiação térmica e o aquecimento interno da partícula. A perda de calor é dominante após o pulso do laser devido à vaporização, e a segunda parte do processo é dominada pela condução de calor. As perdas por radiação foram insignificantes em comparação aos Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

210 210 outros dois processos de perda de calor (Boiarciuc, 2004). Nestas condições, a fuligem passa a emitir como um corpo negro. A intensidade da radiação emitida pelas partículas é diretamente proporcional à concentração de fuligem na região irradiada (Tolomelli, 2012). Fig. 1. Absorção da radiação do laser pela partícula de fuligem. O sinal de incandescência (sinal LII), mostrado na Fig. 2. aumenta conforme o aquecimento da partícula e decai conforme o seu resfriamento. Quanto maior o tamanho da partícula, mais lento será o seu resfriamento, sendo assim, o formato da curva de decaimento está diretamente relacionada ao tamanho da partícula. A intensidade do sinal (amplitude) é proporcional à fração de volume de fuligem (Boiarciuc,2004). Fig. 2. Sinal LII em função do tempo. O objetivo deste trabalho é mapear verticalmente uma chama difusiva de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) utilizando a técnica de incandescência induzida por laser. 2. Metodologia Para a técnica de incandescência induzida por laser o arranjo experimental montado e mostrado na Fig.3. Um laser de Nd;YAG operando em um comprimento de onda de 1064 nm a uma taxa de repetição de 10 Hz, foi focalizado na chama por uma lente convergente com o foco de 20 cm. Outra lente convergente foi usada, de foco 5 cm para uma melhor aquisição do sinal. O laser pulsado é disparado em direção à chama. Ao serem atingidas pelo pulso do laser, as partículas de fuligem absorvem a energia do pulso, tem sua temperatura elevada a 4000 K e passam a emitir uma radiação visível como um corpo negro. A radiação emitida passa por um filtro de 410 nm e, em seguida, a fotomultiplicadora detecta o sinal de incandescência (sinal LII) gerado pelas partículas de fuligem irradiadas. Finalmente um osciloscópio registra a radiação detectada. Foi utilizado um queimador prémisturado tipo Y. O combustível utilizado na chama foi o GLP (gás liquefeito de petróleo). Fig. 3. Arranjo experimental da técnica LII. O comprimento de onda escolhido foi 1064 nm a fim de evitar interferências de outras partículas que se formam ao longo da chama como HPAs (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos) porque no visível e no ultravioleta eles são excitados. Um filtro de 410 nm foi utilizado para evitar as interferências causadas por emissões naturais da chama e o espalhamento do laser. Antes de realizar o mapeamento da chama, foi construído um gráfico, mostrado na Fig. 4, de sinal LII x energia, a fim de escolher a energia adequada para o experimento. Observa-se que o sinal aumenta com o aumento da energia até um determinado valor de energia, a partir do qual estabelecese um plateau. A energia escolhida deve Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

211 Sinal LII (u.a) 211 estar dentro deste plateau para que o sinal não sofra alterações com pequenas variações de energia do laser chama, de coloração amarelada, é mais intensa. Esta emissão amarelada é devido a quimioluminescência das partículas de fuligem, quanto mais intensa a emissão amarelada, maior a concentração de fuligem. A maior concentração ocorre nesta região pois a esta altura a estrutura as partículas de fuligem estão completamente formadas e ainda não estão sendo oxidadas Energia (mj) Fig. 4. Sinal LII x Energia. Foi realizada varredura no plano vertical da chama acima do topo do queimador e os pontos medidos foram separados por uma distância de 1 mm. A energia escolhida foi 21,7 mj, onde pode-se observar um comportamento aproximadamente constante de energia. Uma média de 200 medições foi realizada para cada posição na chama. A barra de erros representa o desvio padrão das medições. 3. Resultados e Discussão O comportamento esperado para o perfil da distribuição vertical de fuligem em uma chama difusiva é uma subida no sinal à medida que aumenta-se a altura da região irradiada em relação ao topo do queimador. Em seguida, houve uma queda acentuada de sinal que pode ser atribuído a total oxidação das partículas de fuligem (Almeida, 2008). Entretanto, nossos resultados, mostrados na Fig. 5, mostram uma subida de sinal até 3,5 cm acima do queimador e uma queda de sinal entre as posições 3,8 cm e 5,2 cm, depois torna a subir até 5,7 cm e finalmente cai devido a oxidação. Essa irregularidade pode ser atribuída à instabilidade do fluxo de gás devido a ausência de um controlador de fluxo adequado no cilindro de gás. Entre 4,7 cm e 5,5 cm acima do queimador, podem-se observar as maiores intensidades de sinal LII ao longo da chama, indicando maior concentração de fuligem. Esta região é onde a emissão natural da Fig. 5. Distribuição vertical da fuligem na altura de 1 cm acima do queimador. 4. Conclusões O objetivo deste trabalho foi mapear verticalmente uma chama difusiva em relação a concentração relativa de fuligem. O perfil de distribuição de concentração de fuligem na chama apresentou um comportamento irregular devido a uma falta de controle adequado para o fluxo do gás. A região de maior concentração de fuligem encontrada foi entre 4,7 cm e 5,5 cm acima do queimador. Esta região coincide com a região de brilho mais intenso da chama, o qual indica maior presença de fuligem. Portanto a técnica de incandescência induzida por laser mostrou-se eficiente em mapear a chama com relação à concentração relativa de fuligem. O baixo sinal observado antes da posição 2 cm pode ser atribuído à formação de fuligem ainda em andamento nesta região, que corresponde à parte escura da chama. A queda de sinal observada após a posição 5,5 cm pode ser atribuída ao processo de oxidação das partículas de fuligem equivalente a parte escura da chama. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

212 212 Agradecimentos Os autores agradecem a bolsa de estudos do IEAv (projeto HIPER) pelo financiamento. Referências ALMEIDA, J.do,N - Detecção da presença de fuligem em chamas parcialmente pré-misturadas de GLP com oxigênio. 82 f. Tese (Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.) BOIARCIUC, F. Foucher, B. Moreau, O. Pajot And C. Mounaïm Rousselle- Simultaneous Spatial and Temporal Resolved Laser-Induced Incandescence to Study the Soot Particles Formation, JOSHUA S. Fu - Air Quality, Fourth Edition- Thad Godish TOLOMELLI, Lincoln Estudo da presença de fuligem em chamas de misturas diesel /biodisel f. Tese (Mestrado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) ITA, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos TURNS, Sthepens.R An introduction to combustion/ Concepts and Applications, WILLIAMS, A. Fundamentals of oil combustion., Progress in Energy and Combustion Science, v. 2, n. 3, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

213 213 ESTUDO ESTRUTURAL POR DIFRAÇÃO DE RAIOS X EM FERRITAS DE Co 1-X Cu X Fe 2 O 4, PARA APLICAÇÕES NA FAIXA DE FREQUÊNCIA DE RF A TERAHERTZ F. F. Araujo 1, M. S. Amarante 1, A. C. C. Migliano 1,2, P. C. F. Menezes 2,3 *, V. C. S. Diniz 3, A. C. F. M. Costa 3 Projetos: Avaliação do desempenho de nanoferritas Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 sintetizadas por reação de combustão para aplicação como materiais absorvedores de radiação eletromagnética; Desenvolvimento de Cerâmicas com aplicações em Encapsulamento de sensores em RF e Micro-ondas, Radome e Biossensores. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Universidade Federal de Campina Grande - Departamento de Engenharia de Materiais, Campina Grande PB. Resumo Ferritas tipo espinélio tem sido utilizadas para aplicações como centro de absorvedores. Deste modo, propomos avaliar a estrutura de ferritas de CoFe 2 O 4 dopadas com cobre sintetizada pela técnica convencional de estado sólido, visando sua aplicação em sensores na faixa de frequência de RF a TeraHertz. Os resultados indicam a formação da fase única para a ferrita pura e dopada com 0,5 mol de Cu. Para concentrações de 0,7 e 0,9 verificou-se segregação da fase secundária CuO. Palavras-chave: Ferrita de Cobalto-Cobre, Difração de Raios-X, Co 1-x Cu x Fe 2 O Introdução Devido às propriedades magnéticas em alta frequência e a sua alta resistividade, as cerâmicas magnéticas tipo as ferritas espinélio tem sido extensivamente utilizadas em aplicações na faixa de frequência de RF a TeraHertz e, ainda como absorvedores de micro-ondas (Côrtes et al., 2007). Dentre as ferritas do grupo espinélio, a ferrita de cobalto é a única com características de uma cerâmica magnética dura (Amiri e Shokrollahi, 2013; Santos et al., 2014). A ferrita CoFe 2 O 4 tem alta coercividade (5400 Oe), magnetização de saturação moderada (cerca de J/m 3 ), excelente estabilidade química e elevada dureza mecânica, necessária para uso como mídia de gravação de alta densidade (Wu et al., 2010). Neste contexto, esse trabalho propõe avaliar as características estruturais de ferritas de CoFe 2 O 4 dopadas com cobre sintetizada, pela técnica convencional de estado sólido, visando sua aplicação em sensores na faixa de frequência RF a TeraHertz. 2. Metodologia Os reagentes utilizados foram (CuO, Co 3 O 4 ) da empresa VETEC e Fe 2 O 3. Os reagentes foram inicialmente misturados manualmente em almofariz de ágata por uma hora. As amostras foram preparadas partindo como referencia o sistema Co 1-x Cu x Fe 2 O 4, onde x = 0,0; 0,5; 0,7 e 0,9 mol de Cu 2+, obtendo-se as seguintes estequiometrias:cofe 2 O 4 (x=0,0);co 0,5 Cu 0,5 F e 2 O 4 (x=0,5);co 0,3 Cu 0,7 Fe 2 O 4 (x=0,7); e Co 0,1 Cu 0,9 Fe 2 O 4 (x = 0,9). Inicialmente, os reagentes foram pesados de acordo com a estequiometria estabelecida para cada composição dos sistemas em estudo e, em seguida, misturados manualmente em um almofariz de ágata durante 1 hora. Após a mistura, as amostras foram calcinadas a 800 C por 4 horas com taxas de aquecimento e resfriamento de 300ºC/hora usando um forno marca EDG tipo mufla. A caracterização foi feita usando um difratômetro de raios X SHIMADZU (modelo XRD 6000, radiação CuK). O tamanho médio de cristalito foi calculado a partir da linha de alargamento de raios X (d 311 ) por meio da deconvolução da linha de difração secundária do cério policristalino (usado como padrão) utilizando-se a equação de Scherrer. 3. Resultados e Discussão A Fig. 1 ilustra os difratogramas de DRX das amostras do sistema Co 1-x Cu x Fe 2 O 4 para Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

214 Intensidade (cps) Intensidade (cps) Intensidade (cps) Intensidade(cps) 214 x = 0,0; 0,5; 0,7 e 0,9 mol de íons Cu 2+ sintetizada pelo método convencional de estado sólido F F F F F CoFe 2 O 4 Ficha: F 2 (Theta) F : CoFe 2 O Theta F F F F F Co 0,3 Cu 0,7 Fe 2 O 4 - CuO Ficha : CuFe 2 O 4 Ficha : Co 0,5 Cu 0,5 Fe 2 O 4 - CoFe 2 O 4 Ficha : Theta Co 0,1 Cu 0,9 Fe 2 O CuO Ficha : CuFe 2 O 4 Ficha : Fig. 1. DRX do sistema Co 1-x Cu x Fe 2 O 4 : (a) x = 0,0; (b) x = 0,5; (c) x = 0,7; e (d) 0,9 mol de Cu 2+, respectivamente. Podemos observar que até a concentração de x = 0,5 mol de Cu 2+ houve a formação da fase única do espinélio inverso da ferrita CoFe 2 O 4 identificada pela ficha cristalográfica Isso indica que possivelmente todo cobre foi diluído na rede do espinélio havendo a completa substituição dos íons de Co 2+ pelos íons de Cu 2+. Entretanto, a partir da concentração de x = 0,7 mol observa-se a segregação da fase secundária do CuO (ficha cristalográfica ), o que indica que possivelmente o excesso de cobre extrapolou o limite de solubilidade. A Tabela 1 ilustra os dados de cristalinidade e tamanho de cristalito determinado a partir dos dados de DRX. Tab. 1. Cristalinidade e tamanho de cristalito para as amostras em estudo. Amostras Cristalinidade (%) Tamanho de Cristalito (nm) x = 0, x = 0, x = 0, x = 0, Podemos observar que a adição do Cu 2+ causa uma redução na cristalinidade e no tamanho de cristalito. Indicando que a presença do cobre torna o material com característica mais nanoestruturada. 4. Conclusões A ferrita de CoFe 2 O 4 pura e com concentração de 0,5 mol de Cu apresentou apenas a fase única do espinélio inverso. Para concentrações de 0,7 e 0,9 mol ocorreu segregação da fase CuO. A dopagem com Cu favoreceu a uma redução na cristalinidade e no tamanho de cristalito. Agradecimentos ChamadaMCTI/CNPq/CTAeronáutico/C T-Espacial 22/2013; CAPES Pró-Estratégia 50/20111, proc. 2237; FINEP proc (0479/11) e proc (0606/13); FAPESP proc /12; COMAER. Referências AMIRI, S.; SHOKROLLAHI, H. The role of cobalt ferrite magnetic nanoparticles in medical science. Materials Science and Engineering C 33, 1 8, CÔRTES A.; MIGLIANO A. C. C.; BRITO V. L. O.; ORLANDO A. J. F.. Practical Aspects of the Characterization of Ferrite Absorber Using One-port Device at RF Frequencies. Progress In Electromagnetics Research Symposium 2007, Beijing, China, March SANTOS, P. T. A.; ARAÚJO, P. M. A. G.; COSTA, A. C. F. M.; CORNEJO, D. R. Magnetic Study of Nanoferritas CoFe 2 O 4 Obtained by Reaction of Combustion. Materials Science Forum, , , WU, H.; LIU, G.; WANG, X.; ZHANG, J.; CHEN, Y.; SHI, J.; YANG, H.; HU, H.; XIAO, S. H.; LUO, K.; ZHANG, L. The structural and magnetic properties of cobalt ferrite nanoparticles formed in situ in silica matrix. Materials Chemistry Physics, v. 123, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

215 215 INFLUÊNCIA DA PRESSÃO DE PRENSAGEM NA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO J. F. R. Siqueira 1 *, A. J. Damião 2 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a influência da pressão, aplicada na prensagem uniaxial, na porosidade final do carbono vítreo recarbonizado, produzido a partir do pó de carbono vítreo monolítico. Foram preparadas amostras prensadas uniaxialmente com diferentes pressões, variando de 0,8 MPa até 6,4 MPa, que foram a seguir recarbonizadas. Posteriormente foram utilizados dois métodos de medição de porosidade, o primeiro por análise de imagens. Essas imagens foram obtidas por um microscópio óptico e, utilizando-se um software livre, a média de porosidade foi calculada. O segundo método utilizado foi o ensaio de Arquimedes, de acordo a norma ASTM C 20-00, que determina a porosidade aparente através de medições de massa seca, úmida e imersa. Palavras-chave: CVM, CV-R, prensagem, porosidade. 1. Introdução Os materiais carbonosos são aqueles constituídos essencialmente do elemento carbono, com teores superiores a 99%, podendo ser encontrados na natureza ou processados (sintéticos). (Rezende; Ferrari, 1998). As áreas de aplicações para estes materiais são vastas, incluindo-se a separação de gases, a purificação de água, o suporte para catalisadores e o crescimento biológico, as colunas cromatográficas, o armazenamento de gás natural, eletrodos, baterias de armazenamento e controle acústico, no processamento de cadinhos para usos especiais, válvulas cardíacas, eletrodos e aplicações aeroespaciais em geral. O carbono vítreo recarbonizado (CV-R) é um material carbonoso produzido a partir do carbono vítreo monolítico (CVM) ou do carbono vítreo parcialmente carbonizado. O CVM é um material de massa específica mais baixa (~1,5 g/cm³) comparado com alumínio (~2,6 g/cm³) e grafite (~2,3 g/cm³). (Damião et al., 2011). O carbono vítreo monolítico é produzido a partir da síntese da resina furfurílica, obtida de uma reação exotérmica. O processo de obtenção do CV-R inicia-se pela moagem das peças de CVM, transformandoas em pó de granulometria micrométrica, que em seguida é prensado utilizando processos de metalurgia do pó e posteriormente recarbonizado. A prensagem é a operação de conformação baseada na compactação de um pó granulado (massa) contido no interior de uma matriz rígida, através da aplicação de pressão. (Albero, 2000). A pressão aplicada à massa de pó influencia a porosidade da amostra (Freire et al., 2004). As propriedades mecânicas do CVM e do CV-R são influenciadas pela porosidade. Por essa razão, o objetivo deste trabalho é verificar a influência da pressão da prensagem na porosidade Carbono Vítreo Recarbonizado. 2. Metodologia Neste tópico, serão apresentados os materiais e procedimentos utilizados para a produção das amostras de Carbono Vítreo Recarbonizado. 2.1 Carbono Vítreo Monolítico Inicialmente, preparou-se uma solução de ácido sulfúrico em 0,5 molar (M). Posteriormente o álcool furfurílico foi colocado em um reator lacrado e aquecido através de um banho-maria, colocado sobre uma chapa aquecedora. A produção da resina iniciou-se com o aquecimento do álcool furfurílico a 32 C. Ao atingir essa temperatura o sistema de aquecimento foi desligado e a solução de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

216 216 ácido sulfúrico (0,5 M) adicionada ao álcool. A reação de polimerização ocorreu espontaneamente e de forma exotérmica. O final da reação foi determinado quando a temperatura interna do reator atingiu 75 C. Iniciou-se então o resfriamento do sistema, através de uma serpentina com água gelada que envolve o reator e a troca da água do banho. A resina sintetizada foi retirada do reator e colocada em um recipiente para retirada da água excedente, produzida pela reação. O resultado do processo foi uma resina com coloração marrom. Para que a reação de polimerização parasse por completo, o material foi congelado. O processo seguinte à síntese da resina é a carbonização da resina curada. A cura ocorre de forma natural se a resina furfurílica for mantida em temperatura ambiente. Para acelerar este processo é adicionada a resina uma solução de ácido paratolueno-sulfônico, com concentração 60% (massa/volume), utilizando a proporção de 2% em massa. A carbonização do CVM ocorre em atmosfera de nitrogênio, seguindo uma rampa padrão de aquecimento. O aquecimento iniciou-se em temperatura ambiente sendo aquecida a 600 C a uma taxa de 0,7 C/min, permanecendo nessa temperatura por 150 minutos. Posteriormente foi a 1000 C, aumentando 1 C/min, permanecendo nessa temperatura por 150 minutos. A partir desse momento, ocorre o resfriamento para a temperatura ambiente a uma taxa de 1 C/min. O material retirado do forno possui aspecto vítreo, como é ilustrado na Fig. 1. Fig. 1. Carbono Vítreo Monolítico. 2.2 Carbono Vítreo Recarbonizado O processo de produção do CV-R iniciouse pela moagem das peças de CVM, transformando-as em pó de granulometria micrométrica. Para o processo de moagem, utilizou-se um moinho de bolas, com rotação de 41 RPM. O material é colocado em um jarro de aço inox, juntamente com esferas de alumina de 20 mm de diâmetro. Está etapa ocorre em aproximadamente 48 horas. O pó de carbono vítreo monolítico é retirado do moinho e peneirado em um conjunto de peneiras Hatch. O pó peneirado foi obtido em uma faixa entre 20 e 56m. Posteriormente, este pó é misturado à resina furfurílica catalisada com a solução de ácido paratolueno-sulfônico e homogeneizado no moinho de bolas, para posterior prensagem. A mistura foi pesada e separada em amostras com 8 gramas e vertidas em um molde circular de aço limpo e lubrificado com estearina. O molde, Fig. 2 (b), é composto por três partes principais: o pistão, o corpo e o anteparo, e uma peça de apoio para desacoplamento. O molde é levado à prensa hidráulica, Fig. 2 (a), onde foram aplicadas cargas uniaxiais variando de 1 a 8 ton (1 ton (0,8MPa), 2 ton (1,6 MPa), 4 ton (3,2 MPa), 6 ton (4,8 MPa) e 8 ton (6,4 MPa)) em cada grupo de amostras. A Fig. 2 (c) ilustra as amostras em verde. Fig. 2. (a) Prensa hidráulica. (b) Molde circular. (c) Amostra prensada. As amostras em verde são então recarbonizadas seguindo a mesma rampa e patamares da carbonização do Carbono Vítreo Monolítico. 2.3 Determinação da porosidade Após a recarbonização, as amostras foram coladas com piche vegetal em um prato de trabalho, como mostra a Fig. 3, para inicio do processo de acabamento. Primeiramente Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

217 217 as peças foram desbastadas em uma geradora de superfícies da marca LOH, com intuito de deixá-las com a mesma espessura, acelerando o processo de polimento. As amostras permaneceram em polimento por aproximadamente 20 horas em pasta de diamante 0,25m. Fig. 3. Amostras coladas no prato de trabalho. As amostras polidas foram analisadas utilizando o Microscópio Óptico Reichert Polyvar 2, com objetiva de 20x. De cada superfície analisada, foram realizadas 10 imagens e, através do software ImageJ, foi calculada a porosidade média das mesmas. Foi realizado também o ensaio de Arquimedes para determinação da porosidade aparente do material. Para isso, foi utilizado o restante das amostras prensadas. Este ensaio baseia-se em medir a quantidade de uma substância líquida conhecida, neste caso querosene de aviação, que é absorvida pelos poros abertos da amostra, estimando assim a sua porosidade. Isso é feito medindo-se a massa das amostras em três condições diferentes: a seco, com a peça em condições normais (massa seca); a úmido, após a peça ser mergulhada e encharcada pelo querosene, (massa úmida); e imersa, onde a peça úmida é imersa no líquido e pesada sobre a influência da força de empuxo (massa imersa). Para que a amostra ficasse encharcada, as peças foram colocadas em um béquer com o querosene, em um sistema à vácuo, para que todo ar fosse retirado e substituído pelo líquido. As medidas de massa foram realizadas utilizando um dispositivo acoplado à balança, como ilustra Fig. 4. Fig. 4. Dispositivo para ensaio de Arquimedes. 3. Resultados e Discussão A análise das imagens permitiu obter o percentual da média de porosidade superficial de cada grupo de amostras, Tab. 1. A Tab. 2 ilustra os resultados para cada grupo de amostras, obtidos a partir do ensaio de Arquimedes. Tab. 1. Média da porosidade obtida por analise de imagem. Amostra Média da Porosidade (%) Grupo 1 (0,8 MPa) 27,4 ± 1,3 Grupo 2 (1,6 MPa) 27,6 ± 1,3 Grupo 3 (3,2 MPa) 26, 6 ± 1,3 Grupo 4 (4,8 MPa) 44,6 ± 1,3 Grupo 5 (6,4 MPa) 38,4 ± 1,3 Comparando-se os valores encontrados pelos dois métodos utilizados, nota-se uma discrepância nos resultados. Isso ocorreu devido à dificuldade na captação e focalização das imagens, pois a superfície da amostra é irregular, possui pequenos grãos, poros e regiões com aglomerados de resina. É difícil para o software, durante a análise, distinguir o que é um problema de profundidade de foco, um defeito de superfície e o que é realmente um poro, em razão da profundidade e quantidade de poros e irregularidades na superfície da amostra. Desta forma, os resultados encontrados por este processo não são confiáveis. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

218 218 Tab. 2. Média da porosidade aparente obtida pelo ensaio de Arquimedes. Amostra Porosidade Aparente (%) Grupo 1 (0,8 MPa) 35± 2 Grupo 2 (1,6 MPa) 33± 2 Grupo 3 (3,2 MPa) 31 ± 2 Grupo 4 (4,8 MPa) 31 ± 2 Grupo 5 (6,4 MPa) 30 ± 2 O ensaio de Arquimedes mostrou que a variação de pressão tem influência na porosidade, a maior carga de prensagem resultou em uma peça com menor porosidade em relação à prensada com menor carga. Portanto, deve-se utilizar pressão de 6,4 MPa para prensagem das amostras de carbono vítreo recarbonizado. 4. Conclusões A análise de imagens para obtenção da média de porosidade superficial não deve ser utilizada para amostras que contenham porosidade em torno de 30%, pois o resultado não é confiável devido à dificuldade de manipulação do foco nos poros. O ensaio de Arquimedes determinou que a prensagem com carga de oito toneladas, gerou amostras com menor porosidade aparente, desse modo é possível afirmar que 6,4 MPa é a pressão mais indicada para prensar o carbono vítreo recarbonizado. Agradecimentos A CAPES pelo apoio financeiro. Ao IEAv pela oportunidade. Referências ALBERO, J. L. A. A Operação de Prensagem: Considerações Técnicas e sua Aplicação Industrial - Parte I: O Preenchimento das Cavidades do Molde. Cerâmica Industrial, p , Setembro/Outubro DAMIÃO, A. J. et al. Carbono Vítreo para aplicação em dispositivos ópticos. 6º Congresso Brasileiro de Engenharia de Fabricação. Caxias do Sul RS - Brasil: [s.n.] REZENDE, M. C.; FERRARI, P. E. Carbono Polimérico: Processamento e Aplicação. Polímeros: Ciência e Tecnologia, p , FREIRE, M. N. et al. Comportamento de compactação de mix argila/resíduo de pó de pedras. Cerâmica, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

219 219 INVESTIGAÇÃO DE PLIF EM ACETONA PARA USO EM TÚNEIS DE CHOQUE I. C. de Queiroz 1*, A. C. de Oliveira 2, L. G. Barreta 2 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos SP. Resumo Diagnosticar escoamentos hipersônicos e/ou reativos de maneira não intrusiva é mandatório para a obtenção de resultados próximos da realidade simulada. A técnica planar laser-induced fluorescence (PLIF) pode diagnosticar diversos parâmetros de um dado meio. O uso de acetona como marcador foi inicialmente testado visando conhecer melhor os requisitos da técnica PLIF com esta substância. Palavras-chave: PLIF, Bicos injetores, Acetona, Scramjet. 1. Introdução Diagnosticar escoamentos é essencial para pesquisas em combustão e dinâmica dos fluidos; e quando se trata de escoamentos hipersônicos, devido a presença de ondas de choque, os métodos de aquisição de dados precisam ser minimamente intrusivos. Na técnica planar laser-induced fluorescence (PLIF) uma folha de laser excita uma ou mais espécies químicas do nível eletrônico fundamental para o primeiro nível eletrônico excitado. Em seguida, as moléculas retornam para o nível fundamental através de emissão espontânea de fótons, que são captados e analisados (Santos, 2005). Através desta técnica podese determinar temperatura, velocidade, concentração de espécies, dentre outros parâmetros do escoamento estudado (Thurber, 1999). No presente trabalho foi aplicada a técnica PLIF para identificar a espécie vapor de acetona presente em um escoamento de ar de baixa velocidade, objetivando obter os parâmetros adequados para futura utilização da técnica no túnel de choque hipersônico T2. 2. Metodologia Um laser de Nd:YAG e duas lentes cilíndricas foram configurados para gerar um feixe plano com comprimento de onda de 355 nm. O feixe foi direcionado para o bico de um queimador, de onde era ejetada uma mistura de ar e vapor de acetona. A mistura foi obtida passando ar comprimido por um reservatório contendo acetona, ajustado de modo que o ar borbulhasse na acetona para aumentar sua vaporização, como pode ser visto na Fig. 1. Fig. 1. Reservatório de mistura. Uma câmera ICCD foi posicionada perpendicular à folha de laser para captar o sinal PLIF. Durante o experimento o laser funcionou de modo pulsado e as aquisições de imagens foram feitas por um trigger ligado ao laser e controlado pelo software da própria câmera em um computador. Posteriormente os experimentos foram repetidos usando um laser de corante excitado pelo mesmo laser de Nd:YAG e uma lente cilíndrica, configurados para gerar um feixe com comprimento de onda de 266 nm, como mostra a Fig Resultados e Discussão Os experimentos utilizando feixes de 355 nm de comprimento de onda não resultaram em sinal PLIF para as condições utilizadas. Após uma revisão da literatura, observou-se que para este comprimento de Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

220 220 onda a absorção da energia pelas moléculas de acetona é muito baixa (Yujing, 2000). Foi decidido, então, utilizar o laser no comprimento de onda de 266 nm, valor em que a absorção pela acetona em temperatura ambiente está próxima do seu valor máximo (Yujing, 2000). Fig. 2. Organização do experimento. O sinal PLIF foi obtido, identificando-se a fluorescência na pequena região atingida pelo feixe de laser, logo acima do queimador, mostrada na Fig. 3. técnica não intrusiva de diagnóstico em estudos de motores scramjet. Agradecimentos Agradeço à ajuda, orientação e ensinamentos do Prof. Dr. Luiz Gilberto Barreta; à orientação do Prof. Dr. Antonio Carlos Oliveira; e ao apoio financeiro da CNPq, pela bolsa de modalidade EXP-C. Referências SANTOS, Leila. Medições de Temperatura em Chamas de Etanol Utilizando Fluorescência Induzida por Laser. São Paulo: USP/IQ, p. (CTA/IEAv-EFO/TD-002/2005). THURBER, Mark. Acetone Laser-Induced Fluorescence for Temperature and Multiparameter Imaging in Gaseous Flows. Department of Mechanical engineering Stanford University. Mar YUJING, Mu; MELLOUKI, Abdelwahid. The Near-UV Absorption Cross Sections for Several Ketones. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, v.134, n.1-2, p.31-36, Jun Fig. 3. Sinal PLIF. 4. Conclusões Com a visualização da fluorescência da acetona, foram obtidos alguns parâmetros necessários para a reprodução destes experimentos em ambientes mais complexos. Pretende-se, em novos ensaios, visualizar imagens detalhadas do fluxo de gás na saída de bicos injetores expostos a escoamentos hipersônicos, utilizando esta Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

221 221 LASER DEPOSITION OF ZIRCONIA COATINGS V. Teleginski 1,2, D. C. Chagas 1,2, J. C. G. Santos 2, J. F. Azevedo 2, A. C. C. Oliveira 1, G. Vasconcelos 1,2* Projeto: Aplicação de revestimentos cerâmicos para proteção térmica e química utilizando lasers. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP. Resumo Materiais cerâmicos são amplamente utilizados como revestimentos de proteção térmica devido a sua excelente resistência ao desgaste e resistência a corrosão em elevadas temperaturas. Para que o tempo de vida útil do revestimento seja aumentado, este trabalho apresenta uma técnica de deposição via laser para se obter revestimentos de zircônia estabilizada com ítria homogêneos e com elevada densificação. O objetivo é estudar a influência dos parâmetros do feixe de laser de CO 2 no processo de deposição dos pós de zircônia sobre substratos de NiCrAlY/Inconel 718. A superfície dos revestimentos foi caracterizada por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura com espectroscopia por dispersão de energia. A intensidade do feixe laser e tempo de interação são os principais parâmetros do processo para controlar a temperatura na superfície e profundidade de propagação de calor. A combinação destes parâmetros foi realizada e uma carta de processo de deposição a laser foi estabelecida de forma a identificar a combinação de parâmetros que permite uma deposição homogênea. Abstract Ceramic materials are widely employed as Thermal Barrier Coatings, due to its excellent wear and corrosion resistance at high temperatures. In order to increase the coating s lifetime and performance, this work proposes a laser deposition technique to obtain homogenous yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings with high densification. The aim was to study the influence of the CO 2 laser beam parameters on the deposition process of YSZ powders on NiCrAlY/Inconel 718 substrates. The resulting coating surfaces were characterized by optical microscopy and scanning electron microscopy with energy dispersive spectroscopy. The laser intensity and interaction time are the main process parameters to control the surface temperature and heat propagation depth. The combination of these parameters was performed and a process chart was established for the laser deposition, identifying the parameter combination that lead to a homogenous deposition. Keywords: Laser irradiation, Ceramics, Yttria-stabilized zirconia, TBC, Coating. 1. Introduction Thermal barrier coatings (TBC) are used on the turbine blades of aircraft and industrial turbines. The TBC coating have a MCrAlY bond-coat (M = Ni, Co and/or Fe) and a ceramic top-coat, commonly of yttrium-stabilized zirconia (YSZ). The bondcoat act as a corrosion and oxidation resistant layer, while the ceramic top-coat reduces the substrate temperature, assuring its mechanical properties in hightemperature environments. Although the air plasma spray technique is consolidated in industry to deposit the top-coat, the technology has some problems, such as metal powder oxidation during spraying, a relatively high degree of porosity, internal residual stresses, and low-bond strength (Park, 2008). Lasers have been applied in an attempt to improve the heat, oxidation, and corrosion resistance (Park, 2008). Surface roughness reduction (Ghasemin, 2013; Batista, 2006), metallurgical bond in case of metallic materials (Sidhu, 2004; Teleginski, 2014a), increased densification (Bradley, 2000), homogenization of alloying elements (Szkaradek, 2010), are some examples of properties modifications achieved by laser treatments. The dense glazed layer generated by the laser treatment reduced the coating Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

222 222 specific surface area, reducing the corrosion reaction of YSZ with molten salts (Batista, 2006). Similar results obtained by Keyvani (2012), indicate the packing density and homogeneity of YSZ increase its resistance against oxidation and hot corrosion. The microstructural changes in the glazed-layer improve the resistance to erosion and thermal shock with a slightly lower thermal insulation capability when compared to the as-sprayed coatings (Ghasemin, 2013; Ahmadi-Pidani, 2012). Increased life of TBCs seems to be achieved due to the laser treatment (Park, 2008). The aim of the present investigation is to show the influence of the CO 2 laser beam parameters on the deposition process of yttrium-stabilized zirconia with pre-placed powders on NiCrAlY/Inconel 718 substrates. The surface microstructural features of the deposited YSZ layers were investigated as a function of laser parameters. 2. Methodology An extruded and aged nickel based superalloy Inconel 718 ingot, with 25.4 mm of diameter was sectioned in round plates 3 mm thick. The Inconel plates were washed with detergent and cleaned with acetone to be used as substrate material for the bondcoat laser deposition. A NiCrAlY bond-coat (31Cr, 11Al, 0.7Y) powder was pre-placed over the substrate and laser irradiated with a CO 2 laser equipment, described in section 2.1. The laser parameter evaluation for the NiCrAlY deposition was previously determined by Teleginski (2014b) as: scanning speed of 100 mm.s -1, laser power of 125 W, laser beam at focus position with 75% of beam overlapping. The laser deposited bond-coat shows metallurgical bonding to the substrate, forming a homogenous dense layer without cracks or pronounced imperfections (Teleginski, 2014a). Particulate ceramic material of ZrO 2 8wt% Y 2 O 3 (yttria-stabilized zirconia - YSZ) with grain size normal distribution from 0.1 to 10 μm was prepared in a suspension containing 25 g of YSZ powder and 80 ml of ethylic alcohol. This suspension was sprayed using a pneumatic pistol, pre-placing the powder over the NiCrAlY/Inconel substrate. After the alcohol evaporation the samples were dried in a drying oven for 20 minutes at 50 C. 2.1 Laser irradiation methodology The samples with the pre-placed YSZ powder were irradiated with a CO 2 laser beam (Synrad Evolution 125) coupled to a marking head system (FH Flyer, Synrad) with a 125 mm focusing lens. The beam waist diameter at lens focus is mm (2w 0 ). Argon with 5 L.min -1 flow was used as shielding gas to avoid the substrate oxidation during the laser irradiation The laser power (P) was kept at 125 W, while the scanning speed (V) was and laser beam diameter (2w z ) are indicated for each experiment in the results and discussions topics. Two different arrangements for the laser irradiation were performed. In the first case, the samples were positioned horizontally at the laser beam focus position (Fig. 1a). For the second case, the samples were inclined 45 to the laser beam to gradually change the focus position (z, z-axis), as shown in the schematic drawings of Figure 1b. This procedure allows the gradual change of the beam diameter on the sample surface. For all cases, the entire sample surface was irradiated with multiple, successive adjacent tracks, as exemplified on Fig Laser parameters definition The control of sample temperature during the laser deposition process is essential to obtain good quality coatings. Temperatures between melting and vaporization, 2973 K and 5273 K (Sivakumar, 1988), are necessary for a homogenous laser deposition of YSZ with a pre-placed powder. In a continuous laser process, there are two major laser parameters that can be adjusted in order to control the sample temperature (Steen, 2010): the absorbed laser intensity or irradiance I (W.cm -2 ) on the sample surface and the interaction (or irradiation) time t i, which is given by Eq (1): Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

223 223 (1) (3) The maximum laser intensity I 0 on the center of the laser beam (r =0) is defined by Eq. (4): (4) Considering constant laser power, the beam intensity was modified in this work by changing the focus position z from -13 to +13 mm in relation to the focusing position, consequently the laser diameter at the sample surface is changed, which varies with the distance z according to the Eq. (5) (Steen, 2010): (5) Fig. 1. Schematic drawing of the sample arrangement. (a) Sample irradiated with constant laser beam diameter and (b) sample irradiated with 45 inclination. According to Steen (2010), the surface temperature increases both by increasing the laser intensity and the interaction time The thermal diffusion length Ld defines the extension of the heating below the surface, as can be seen in Eq. (2) (STEEN, 2010): (2) where α (m 2 /s) is the material thermal diffusivity, k (W/mK) is thermal conductivity, and A is the laser absorptivity. For a Gaussian laser beam, with an average power P and a beam radius w, the radial intensity profile I(r) is described by Eq. (3): where M 2 is the beam quality factor, and λ is the laser wavelength. For the CO 2 laser employed in the present investigation, M 2 = 1.2 and λ = 10.6 µm. In the case of the 45 inclined sample, the beam projection on the sample surface presents an elliptical shape on the sample surface, with a minor axis of the same value of the laser beam diameter and a major axis increased by a factor 2 to this value. The laser beam intensity is decreased by the same factor. The temperature on the sample surface and heat penetration depth are dependent on the material thermal diffusion length, the material absorption and interaction time. For an inclined sample, the factor 2 must be considered on the equations to estimate the thermal diffusion length. 2.4 Coating surface characterization After the laser irradiation, the samples were washed and cleaned in ultra-sound equipment with acetone and detergent. The coating surface characterization was performed with an optical microscope (OM) Zeiss Model Imager.A2m and scanning electron microscope with energy dispersive spectroscopy (SEM/EDS) Leo Model 435 VPi. 3. Results and Discussions Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

224 224 The temperature on the sample surface can be adjusted by controlling the scanning speed and the laser intensity. Fig. 2 shows the extreme effects of changing the scanning speed and laser intensity. A clean sample with unaffected NiCrAlY substrate can be observed in Fig. 2a after laser irradiation for a very high speed (5000 mm.s -1 ) and moderate laser intensity (2.4 x10 5 W.cm -2 ). Fig. 2. OM of laser irradiated sample with (a) V = 5000 mm.s -1 and I = 2.4 x10 5 W.cm - 2, (b) V = 10 mm.s -1 and I = 6 x10 5 W.cm -2. On the other hand, excessive interaction time or high laser intensities could promote the material vaporization, coating detachment, and changes in components stoichiometry. In cases where interaction times are high, accumulation of heat within the workpiece becomes continuously more relevant (Finger, 2014). This effect can be clearly seen in Fig. 2b, where after the initial laser beam tracks the heat accumulation leads to the coating detachment and tracks deformation. To find the process window where the vaporization is avoided and a complete deposition is obtained, the intensity threshold (I th ) for scanning speeds of 10, 100, 500, 1000, 2000, 3000 and 5000 mm/s was experimentally determinated, where 45 inclined samples were irradiated, according to the methodology described in section 2.1. The pre-placed powder thickness was fixed with 300 μm. A representative sample, irradiated with scanning speed of 500 mm.s -1 was analyzed by panoramic optical microscopy, as shown in Fig. 3a, where three different regions could be distinguished. The first region comprises the deposition region, which is highlighted to show its aspect in Fig. 3b. The laser tracks are visible and some flaws can be observed in the coating. For a scanning speed of 500 mm.s -1, the zirconia deposition occurred from 1.56 x 10 5 to 10.0 x10 5 W.cm - 2. For lower intensities, the general aspect changed to an incomplete deposition, evolving to only small and isolated zirconia islands (Fig 3c). The behavior of incomplete deposition remained until the intensity was lower than 7.4 x 10 4 W.cm -2. Beyond this value no signs of zirconia could be detected by SEM/EDS or OM, as shown by Fig. 3d, revealing only the unaffected NiCrAlY surface after the laser irradiation and sample cleaning, reproducing the behavior showed for Fig. 2a. The region of incomplete deposition of Fig. 3c is better characterized by SEM in Fig. 4. An incomplete deposition behavior, attributed to insufficient laser intensity or interaction time to completely melt the powder, lead to the formation of zirconia islands. The regions of the EDS analysis are indicated in Fig. 4b, and the quantitative results are shown in Fig. 4c and Fig. 4d. The EDS analysis 1, 2, 7, 8 were performed in plate-like structures, consisted of NiCrAlY alloying elements with a certain degree of oxidation. The EDS 3 and 4 are mainly constituted of zirconia. EDS 5, 6 contains a mixture of zirconia and NiCrAlY. The general surface aspect differs from the unaffected substrate, indicating that the laser intensity was enough to produce microstructural changes, leading to the formation of NiCrAlY plate-like oxidized structures. However, the temperature was not high enough to produced sintered YSZ Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

225 225 structures adherent to the substrate. Only in the regions where total melting occurred, the YSZ coating remained after the sample cleaning. This indicates that the laser deposition of YSZ over a NiCrAlY substrate occurs within a narrow process parameters window. deposition, as shown in Fig. 5. This process chart includes the three main laser parameters that can be varied in a commercial equipment: laser power, scanning speed and beam diameter. Fig. 3. OM of laser irradiated sample with scanning speed of 500 mm.s -1 and 45 inclination, where (a) is the panoramic view, (b) is the deposition region, (c) the incomplete deposition region, and (d) the unaffected substrate. The three regions aspects were similarly observed for the range of scanning speeds studied for the inclined samples, but the extension for deposition and incomplete deposition regions were reduced as the scanning speed increased, due to interaction time reduction. From the experimental data of intensity and scanning speed, the process chart linking the laser intensity and the interaction time was plotted, indicating the range of parameters to obtain the YSZ laser Fig. 4. SEM investigation of incomplete deposition region, where (a) is the general aspect and (b) a magnification indicating the EDS areas and the table shows the quantitative results. Fig. 5. Process chart for the zirconia laser deposition with pre-placed powder, as a Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

226 226 function of laser intensity and interaction time, calculated as laser beam diameter per scanning speed. 4. Conclusions In the present investigations it has been showed that homogenous yttria-stabilized zirconia (YSZ) coatings can be achieved by means of laser intensity and interaction time control. Excessive high intensities leads to the coating detachment, while lower intensities are not enough to promote deposition. A complete and homogenous deposition was established within a process chart for a range of laser parameters. Acknowledgments The authors acknowledge CNPq/ MCT/ AEB, FAPESP (Process nº 2013/ ), AMR-DCTA, LAS-INPE. References AHMADI-PIDANI, R. et al., Improving the thermal shock resistance of plasma sprayed CYSZ thermal barrier coatings by laser surface modification. Optics and Lasers in Engineering, v. 50, p , BATISTA, C. et al. Evaluation of laser-glazed plasma-sprayed thermal barrier coatings under high temperature exposure to molten salts. Surface and Coatings Technology, v. 200, p , BRADLEY, L.; LI, L.; STOTT, F.H. Flameassisted laser surface treatment of refractory materials for crack-free densification. Materials Science Engineering A, v. 278, p , FINGER, J.; REININGHAUS, M. Effect of pulse to pulse interactions on ultra-short pulse laser drilling of steel with repetition rates up to 10 MHz. Optics Express, v. 22, p , GHASEMIN R. et al. Laser glazing of plasmasprayed nanostructured yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings. Ceramics International, v. 39, p , KEYVANI A. et al. A comparison on thermomechanical properties of plasma-sprayed conventional and nanostructured YSZ TBC coatings in thermal cycling. Journal of Alloy Compounds, v. 541, p , PARK, J. H. et al. Effects of the laser treatment and thermal oxidation behavior of CoNiCrAlY/ZrO 2 8wt%Y 2 O 3 thermal barrier coating. Journal of Materials Processing Technology, v. 201, p , SIDHU, B. S.; PURI, D.; PRAKASH, S. Characterisations of plasma sprayed and laser remelted NiCrAlY bond coats and Ni 3 Al coatings on boiler tube steels. Materials Science Engineering A, v. 368, p , SIVAKUMAR, R.; MORDIKE, B. L. Laser melting of plasma sprayed ceramic coatings. Surface Engineering, v. 4, p , STEEN, W.M.; MAZUMDER, J. Laser material processing. 4ª ed. Londres: Springer, p. SZKARADEK, K.K. Laser melted ZrO 2 Y 2 O 3 thermal barrier obtained by plasma spraying method. Journal of Alloys and Compounds, v. 505, p , TELEGINSKI V. et al. Yb:fiber laser surface texturing of stainless steel substrate, with MCrAlY deposition and CO 2 laser treatment. Surface and Coatings Technology, v. 260 p , 2014a. TELEGINSKI V. et al. Interface evaluation of MCrAlY powder bond coat on 316 SS processed with laser irradiation. Materials Science Forum, v. 802, p , 2014b. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

227 227 MICROSCOPIA POR MODULAÇÃO DE FORÇA DE Mn 1-X Zn X Fe 2 O 4 : ANÁLISE DA DISPERSÃO DE PARTÍCULAS PELA FASE DE OSCILAÇÃO F. R. Daró 1 *, A. C. C. Migliano 2, P. C. F. Menezes 3, V. C. S. Diniz 3, A. C. F. M. Costa 3 Projeto: Avaliação do desempenho de nanoferritas Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 sintetizadas por reação de combustão para aplicação como materiais absorvedores de radiação eletromagnética. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Universidade Federal de Campina Grande Departamento de Engenharia de Materiais, Campina Grande PB. Resumo Nanoferritas Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 (0 x 0,65) foram utilizadas como cargas em mantas de material compósito, com a finalidade de absorção de radiação eletromagnética. As mantas foram caracterizadas por Microscopia por Modulação de Força (FMM force modulation microscopy). Observouse, pela fase de oscilação do sistema, que quanto maior o teor de Zn, menor a dispersão das nanopartículas, as quais tenderam a se aglomerar no interior da manta. Palavras-chave: Absorção, FMM, Nanoferritas. 1. Introdução Nanoferritas de Mn-Zn são materiais ferrimagnéticos que podem ser empregados como carga em materiais compósitos, com a finalidade de absorção de radiação eletromagnética (Gama, Rezende, 2013; Das e cols., 2015). Porém, a obtenção destes materiais é complexa, visto que as nanopartículas tendem a se aglomerar no interior do compósito, o que prejudica a absorção. Logo, indicar o grau de homogeneidade do material é um fator importante para avaliar a eficiência de uma blindagem eletromagnética. Neste contexto, a Microscopia por Modulação de Força (FMM force modulation microscopy) pode ser útil para avaliar a dispersão das partículas de ferrita dentro do material (Lin e cols., 1999). 2. Metodologia Foram analisadas quatro amostras de manta de compósitos com cargas de nanoferritas de Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4, e sintetizadas por reação de combustão em escala piloto de 200g/batelada. As cargas foram dispersas em uma matriz de silicone manualmente em uma proporção mássica 2:1, de modo a x assumir, respectivamente, os valores de 0,0; 0,35; 0,5 e 0,65 mol de Zn. Cada amostra foi submetida à análise por FMM em um equipamento Agilent SPM Este equipamento utiliza uma sonda nanométrica situada na extremidade de uma viga cantilever de dimensões micrométricas, rigidez moderada (2,8 N/m) e frequência natural de 75 khz. A viga, por sua vez, é posicionada em um scanner de acionamento piezelétrico. A sonda mantém contato permanente com a amostra e realiza varredura num quadrante de 15 a 20 m de aresta e com 1024 pixels de resolução, durante a qual é obtida a topografia da superfície da amostra pelo ajuste de cota do scanner. Concomitantemente à varredura, a viga cantilever sofre uma oscilação forçada (~30 khz), de modo que o amortecimento provocado pela rigidez da amostra fornece os dados (na forma de potencial elétrico) sobre a dispersão das partículas de nanoferrita no interior do material compósito: atraso na fase de oscilação indica um aglomerado de nanopartículas (maior rigidez), enquanto que avanço indica a dispersão das partículas na matriz de silicone (menor rigidez). 3. Resultados e Discussão As imagens da Fig.1 à Fig. 4 mostram as fases de oscilação de FMM das amostras analisadas. Observou-se que quanto maior o teor de Zn, menor a dispersão das partículas, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

228 228 as quais tenderam a se aglomerar no interior do compósito. Contudo, deve-se ressaltar que a fase de oscilação de FMM é um indicador relativo de homogeneidade, pois mostra apenas o contraste entre dispersão e aglomeração de partículas para cada caso, não servindo comparativamente para calcular a rigidez média de cada amostra, para o que seria necessário o valor da amplitude de oscilação. 4. Conclusões A análise da fase de oscilação de FMM mostrou ser um método útil para o estudo da dispersão de partículas em compósitos. A manta com maior teor de Zn apresentou a menor dispersão. Contudo, estudos ulteriores da amplitude de oscilação de FMM são necessários para a comparação da rigidez média das amostras. Fig. 3. Fase de oscilação de FMM da manta x = 0,35. Fig. 1. Fase de oscilação de FMM da manta x = 0,65. Fig. 2. Fase de oscilação de FMM da manta x = 0,5. Fig. 4. Fase de oscilação de FMM da manta x = 0,0. Agradecimentos MCTI/CNPq/CT-Aeron./CT-Espacial 22/2013; CAPES Pró-Estratégia proc (50/2011); FINEP proc (0479/11) e proc (0606/13); FAPESP proc /12; COMAER. Referências GAMA, A. M.; REZENDE, M. C. Complex Permeability and Permittivity Variation of Radar Absorbing Materials Based on MnZn Ferrite in Microwave Frequencies. Materials Research, v. 16, p , LIN, H. N.; HUNG, T. T.; CHANG, E. C.; CHEN, S. A. Force modulation microscopy study of phase separation on blend polymer films. Applied Physics Letters, v. 74, p , DAS, S.; NAYAK, G. C.; SAHU, S. K.; ROUTRAY, P. C.; ROY, A. K.; BASKEY, H. Microwave absorption properties of double-layer composites using CoZn/ NiZn/ MnZn-ferrite and titanium dioxide. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 377, p , Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

229 229 MICROUSINAGEM A LASER UV PULSADO DE CARBONO VÍTREO UTILIZANDO MESA XYZ DE ALTA PRECISÃO A. Aumiller 1*, F. Dondeo 2, N. A. S. Rodrigues 2 1 Universidade Federal de São Paulo Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos SP 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Fotônica, São José dos Campos SP Resumo Neste trabalho, com o uso de uma mesa xyz de alta resolução (0,1 µm), desenvolveu-se padrões de rugosidade em superfícies de carbono vítreo irradiadas por laser pulsado. As amostras de carbono vítreo foram irradiadas com laser de Nd-Yag 3º Harmônico (ultravioleta) com velocidade de irradiação constante (250 µm/s), variando-se alguns parâmetros de irradiação como: taxa de repetição (80 Hz- 400 Hz), potência (0,01 W- 0,04 W) além de se utilizar diferentes filtros ópticos atenuadores (100% e 12%). Por meio da caracterização da amostra e da análise dos dados, pode-se notar uma tendência de relação biunívuca entre α (produto da transmitância do filtro óptico atenuador e a taxa de repetição de pulsos do laser), a profundidade média das ranhuras e os parâmetros de rugosidade (Ra e Rz), além de notar-se também que com o emprego da mesa xyz de alta resolução, as ondulações no plano xy das ranhuras foram eliminadas. Palavras-chave: Laser, Carbono vítreo, Rugosidade, Ranhura. 1. Introdução Um padrão periódico de rugosidade consiste em uma superfície com microrranhuras paralelas uniformes de dimensões conhecidas e que apresenta valor conhecido de rugosidade. Os padrões são empregados por institutos acreditados, como o IEAv, na calibração de rugosímetros, equipamentos que medem a rugosidade de superfícies. Atualmente, existem diversos modelos de padrões periódicos no mercado produzidos em metal ou vidro, por meio mecânico ou químico. Diversas tentativas de microusinagem a laser pulsado, em metais e vidro, foram realizadas no IEAv a fim de se obter microrranhuras paralelas e idênticas. Porém, a periodicidade da superfície irradiada não foi satisfatória, devido ao processo de oxidação e de ressolidificação do material fundido nas bordas das ranhuras. Como alternativa, iniciaram-se testes no IEAv com o Carbono Vítreo Monolítico (CVM), um material isotrópico de carbono puro, quimicamente inerte, impermeável e biocompatível, com propriedades mecânicas semelhantes às do vidro Pyrex e elétricas similares às do grafite (Zarzycki, 1991). Devido as suas diversas propriedades, o CVM possui diferentes aplicações (Shackelford, 1988), (Dondeo, 2012), como substratos para difração de raio X, eletrodos, válvulas cardíacas, além de recipientes e cadinhos resistentes à altas temperaturas. Os resultados iniciais obtidos com o CVM foram promissores e iniciou-se um estudo em busca das melhores condições de irradiação para a geração de ranhuras paralelas a laser pulsado. No início desse estudo as ranhuras foram obtidas com o uso de lasers comerciais Nd:YAG 2º harmônico (visível) e Nd:YAG 3º harmônico (ultravioleta). As ranhuras foram caracterizadas e tiveram suas profundidades e larguras analisadas. Por ter maior intensidade, e ter apresentado melhores resultados em relação à regularidade das ranhuras produzidas, selecionou-se o Nd:YAG 3º Harmônico para dar continuidade ao projeto. No segundo ano do projeto de Iniciação Científica, objetivou-se avaliar a uniformidade dos padrões periódicos de rugosidade produzidos a laser pulsado em CVM e analisar a relação entre os valores obtidos nos parâmetros de rugosidade (Ra e Rz) com as condições de irradiação utilizando o laser Nd:YAG 3º Harmônico (ultravioleta). Por conta da baixa precisão da mesa, detectou-se ondulações na superfície xy do fundo das ranhuras. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

230 230 No terceiro ano do mesmo projeto, optouse por empregar uma mesa xyz de alta precisão, de modo a eliminar essas ondulações. O parâmetro transmitância foi inserido também no estudo por meio da utilização de filtros ópticos atenuadores no feixe do laser. Todas as amostras irradiadas foram caracterizadas e avaliadas novamente. Os padrões de rugosidade desenvolvidos serão utilizados na calibração de equipamentos do próprio LMSO (Laboratório de Medições Ópticas) do IEAV, acreditado pelo INMETRO. Objetiva-se ainda realizar a transferência do conhecimento depositado em uma patente do IEAV em um produto comercializável. 2. Metodologia Neste estudo irradiou-se uma amostra polida de CVM, gerando cinco grupos diferentes de ranhuras. Cada grupo continha 40 ranhuras dividas em dois subgrupos com 20 ranhuras periódicas cada, com separação de 100 µm. Nas Fig. 1a e 1b pode-se observar, respectivamente, uma amostra típica de CVM e um esquema representativo dos grupos de ranhuras irradiados na amostra. a Fig. 1. a) amostra típica de CVM polido e b) esquema representativo dos grupos de ranhuras gerados na amostra. No processo de irradiação das ranhuras, manteve-se a velocidade de irradiação constante (250 µm/s) para todos os grupos de ranhuras. Variaram-se alguns parâmetros de irradiação como: taxa de repetição (80 Hz, 200 Hz e 400 Hz), potência (0,01 W, 0,02 W e 0,04 W), energia por pulso (93,5 J, 94,5 J e 95,4 J) e a transmitância do filtro óptico (100% e 12%). Definiu-se α como o produto da transmitância do filtro óptico atenuador pela taxa de repetição de pulsos b do laser. Pode-se observar as condições de irradiação do laser na Tab. 1. Tab. 1. Condições de amostras de CVM. Grupo Taxa de Repetição (Hz) Pot. média (W) irradiação das Após o processo de irradiação realizou-se a caracterização da amostra e de seus cinco grupos de ranhuras no microscópio óptico, microscópio interferométrico e também no rugosímetro. Com o rugosímetro, foram realizadas quatro medições diferentes de rugosidade (Ra e Rz) e profundidade das 40 ranhuras em cada um dos cinco grupos. Com base nos valores médios de profundidade das ranhuras e dos parâmetros de rugosidade obtidos em cada medição, calculou-se a média de cada grupo e seus respectivos desvios padrão, para cada uma das variáveis. A partir dos resultados obtidos iniciou-se um estudo sobre a influência da transmitância do filtro óptico atrelada à taxa de repetição do laser sobre a profundidade das ranhuras dos cinco grupos pertencentes à amostra. 2.1 Materiais empregados Amostras - Peças de CVM produzidas no IEAv; Irradiação - Laser Avia Nd:YAG (3º Harmônico); - Controlador e mesa xyz de alta precisão (0.01 µm) Encoder M. Controller 18093; - Suporte de amostras; - Filtros ópticos atenuadores (12% e 100%); Micrografia - Microscópio óptico Olympus BX51; - Microscópio Interferencial Zygo NewView 200 (Omp-0407c); Análise topográfica 2D e 3D - Rugosímetro Taylor Robson PGI 1000; - Software Tally Map Gold; 2.2 Parâmetros do Laser α Transm. Energ. pulso (J) , , ,01 8,6 0,12 93, , ,12 94, , , , ,12 95,4 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

231 231 Ao longo desse projeto, diversas microranhuras paralelas foram irradiadas nas amostras de CVM, por meio da sobreposição de pulsos do Laser AVIA modelo 355-x Nd:YAG (3º Harmônico), o qual emite luz na frequência ultravioleta (λ = 355 nm), conforme Tab. 2. Tab. 2. Parâmetros do Laser Nd:YAG 3º Harmônico (UV). Parâmetros Nd:YAG 3ºHarmônico (UV) Comprimento de onda (nm) 355 Diâmetro focal (m) 50 Largura temporal (ns) 33 Taxa de repetição (khz) 1,2 Intensidade média (mw/µm 2 ) 0,132 Intensidade de pico (W/m 2 ) 0,032 No Laser Nd:YAG (3º Harmônico), a amostra é fixa à mesa XYZ de alta precisão, controlada por motores de passos, por meio de um suporte desenvolvido para esse propósito, como pode ser observado nas Fig. 2a e 2b. Ao se atingir 450 C, na região focal ocorre a formação e liberação de elementos químicos na forma gasosa, ocasionando perda de massa e geração de uma ranhura sem resíduos no local da irradiação, de acordo com o movimento da mesa xyz como pode ser observado na Fig. 3d. Fig. 3. a) Esquema representativo da sobreposição de pulsos do laser e b) Esquema representativo da trajetória de varredura do laser. c a b d A Fig. 2. a) Laser Nd:Yag (3º Harmônico) e b) Trajetória do feixe até a superfície da amostra presa ao suporte. A amostra se desloca com velocidade tal que, os pulsos do laser sobrepõem 90% da área do pulso anterior, gerando uma ranhura retilínea e regular ao longo de toda a amostra de acordo com a trajetória empregada. Esse processo de sobreposição dos pulsos do laser pode ser observado na Fig. 3a bem como sua trajetória de varredura pode ser observada na Fig. 3b. Pode-se notar pela Fig. 3c que a energia dos pulsos sobrepostos do laser é absorvida pela superfície, aumentando a temperatura da região irradiada. B Fig. 3.c) Processo de irradiação no CVM e d) Imagem 3D de ranhuras típicas de CVM micro usinadas a laser pulsado. 3. Resultados e Discussão 3.1 Influência da transmitância do filtro óptico e da taxa de repetição do laser na profundidade e regularidade das ranhuras Realizou-se um estudo sobre a influência da relação entre a transmitância do sistema empregado (com ou sem filtro óptico) e a taxa de repetição de pulsos sobre a profundidade média de cinco grupos de ranhuras, todos irradiados sob a mesma velocidade. A Fig. 4 mostra o gráfico da relação entre a transmitância do sistema, taxa de repetição do laser e profundidade média das ranhuras. Observa-se na Fig. 9 que a profundidade média das ranhuras sofre influência tanto da Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

232 232 transmitância quanto da taxa de repetição empregada. Isso se dá primeiramente, pelo fato de que com o uso de um filtro óptico (12%), parte da radiação emitida pelo laser é absorvida pelo filtro, atenuando a intensidade do feixe e seu potencial de arrancar material o que ocasionará uma menor temperatura no material irradiado e consequentemente uma menor profundidade média das ranhuras irradiadas. Fig. 4. Gráfico da relação entre profundidade média das ranhuras e α (Transmitância x Taxa de repetição) no processo de irradiação da amostra polida de CVM pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico). Em relação à taxa de repetição, observase que quanto maior a taxa de repetição do laser maior será o número de pulsos e a sobreposição destes no material, ocasionando temperaturas maiores, mais material arrancado e consequentemente uma maior profundidade média das ranhuras. Por meio do gráfico contido na Fig. 5 nota-se uma tendência de relação biunívuca entre α e o parâmetro de rugosidade Rz. O mesmo ocorre para Ra, os dois parâmetros apresentam uma tendência de crescimento atrelada ao aumento de α. 3.2 Regularidade e periodicidade das ranhuras Por meio da análise das micrografias, obtidas por microscopia óptica com variados níveis de zoom (5X, 10X, 20X e 50X), microscopia interferencial (10X) e dos perfis de rugosidade e obtidos por meio do rugosímetro, foi possível avaliar a regularidade e periodicidade das ranhuras irradiadas sobre a amostra polida de CVM. Fig. 5. Gráfico da relação entre α (Transmitância x Taxa de repetição) e Rz no processo de irradiação da amostra polida de CVM pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico) Análise no rugosímetro Pode-se observar na Fig. 6, um perfil de rugosidade de um subgrupo de 20 ranhuras irradiadas sobre uma taxa de repetição de 200 Hz, velocidade de varredura de 250 µm/s e sem a utilização de filtro óptico (12%). Nota-se, por meio do perfil de rugosidade, que as ranhuras possuem uma boa periodicidade e mantêm a profundidade de aproximadamente 17 µm µm mm L e n g th = m m Pt = µm Sca le = µm Fig. 6. Perfil de rugosidade de um grupo de ranhuras da amostra de CVM polida irradiada sob as seguintes condições: 200 Hz, 250μm e sem a utilização de filtro óptico Análise no microscópio óptico Ainda na mesma amostra típica empregou-se a micrografia com 10 e 20 X de aumento nas ranhuras microusinadas a laser pulsado sob as mesmas condições. Pode-se observar na Fig. 7, uma micrografia típica com 20 X de aumento do subgrupo de ranhuras irradiado durante esse projeto. Na Fig. 8, observa-se uma micrografia com aumento de 20 X referente a uma amostra típica de CVM irradiada anteriormente com taxa de repetição de 200Hz, velocidade de irradiação de 250 µm, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

233 233 sem a utilização de filtro óptico atenuador e com a mesa xyz de baixa precisão. figuras a seguir, um resultado típico de uma análise de um grupo de ranhuras irradias pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico) com uma taxa de repetição de 200 Hz e empregando um filtro óptico atenuador de 12%. Observa-se na Fig. 9 uma análise topográfica da amostra por meio de uma vista superior e mudança de cores associada à variação da altura da superfície. Fig. 7. Microscopia com 20 X de aumento do grupo 4 de ranhuras da amostra polida de CVM irradiada pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico) com mesa de alta precisão. Modo de campo escuro. Fig. 8. Microscopia com 20 X de aumento do grupo de ranhuras da amostra polida de CVM irradiada anteriormente pelo laser Nd:YAG (3ºHarmônico) com mesa de baixa precisão. Modo de campo claro. Nota-se que as ranhuras apresentaram uma boa regularidade, periodicidade e continuidade. Ao compararmos a micrografia atual com a contida na Fig. 8, a qual foi irradiada em uma mesa xyz com menor precisão, nota-se uma visível melhora em relação a todos os parâmetros analisados, inclusive em relação a ondulações no plano xy das ranhuras Análise no microscópio interferencial Nesse estudo, empregou-se também a técnica de microscopia interferencial por meio do microscópio Zygo NewView 200 (modelo: OMP-0407C). O microscópio interferencial foi utilizado na análise das ranhuras irradiadas. Pode-se observar nas Fig. 9. Mapa superficial da amostra polida de CVM obtido por meio do microscópio interferencial. A amostra foi irradiada pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico) com taxa de repetição de 200Hz, velocidade de 250µm e com a utilização de filtro óptico atenuador. Ainda nessa janela, são apresentados valores de profundidade e parâmetros de rugosidade associados à região selecionada, por meio do software. Na Fig. 10, um modelo 3D da região da amostra analisada ilustra, por meio da mudança de cores, a variação da altura da superfície da amostra. É possível verificar a inexistência de ondulações no plano xy das ranhuras. 4. Conclusões Com a análise e discussão dos resultados obtidos, conclui-se que com o emprego da mesa xyz de alta precisão, as ondulações no plano xy das ranhuras foram eliminadas. Pode-se notar também uma tendência de relação biunívuca entre α (produto da transmitância do filtro óptico atenuador e a taxa de repetição de pulsos do laser), a profundidade média das ranhuras e os parâmetros de rugosidade (Ra e Rz). Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

234 234 Fig. 10. Mapa superficial da amostra polida de CVM obtido por meio do microscópio interferencial. A amostra foi irradiada pelo laser Nd:YAG (3º Harmônico) com taxa de repetição de 200Hz, velocidade de 250µm e com a utilização de filtro óptico atenuador. Agradecimentos Ao IEAv, ao Sgt. Ferraz (EFO-O), ao Dr. Jonas Jakutis Neto e à Subdivisão EFO-S pelo empréstimo da mesa XYZ. Referências DONDEO, Fábio; DAMIÃO, Alvaro.; SIMÕES, Guilherme; AUMILLER, Alexandre. Anais do XXXIIII CBRAVIC, pag. 64, SHACKELFORD, James. Introduction to Materials Science for Engineers.[S.I]: Prentice Hall Ptr, ZARZYCKI, Jerzy. Materials Science and Technology A Comprehensive Treatment Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

235 235 MODELO NUMÉRICO PARA O CÁLCULO DE PROPRIEDADES ELÉTRICAS DE DISPOSITIVOS SEMICONDUTORES DE MÚLTIPLAS JUNÇÕES A. F. Pereira 1, 2*, G. S. Vieira 1, A. Passaro 1 Projeto: Projeto de desenvolvimento de sensores para a defesa e INCT DISSE. 1 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos SP. Resumo Neste trabalho, descrevemos o modelo implementado para o cálculo de propriedades elétricas e distribuição de portadores em estruturas semicondutoras, visando o projeto e a simulação de dispositivos semicondutores de múltiplas junções, por meio da resolução, de forma autoconsistente, de um conjunto de equações básicas. Aqui apresentaremos as equações envolvidas e as técnicas numéricas utilizadas para a resolução do sistema de equações gerado. Este modelo permite o cálculo de estruturas em 1D envolvendo múltiplas junções com diferentes perfis de dopagem, sendo possível determinar tais propriedades em equilíbrio térmico ou com tensão aplicada. Palavras-chave: Semicondutores, Junções, Simulação. 1. Introdução Inúmeros fenômenos físicos podem ser modelados por meio de equações diferenciais parciais (EDP s), com condições de contorno e/ou condições iniciais apropriadas. Muitos destes problemas recaem em um sistema de equações não lineares e acopladas, o que é o caso das equações básicas dos semicondutores (KRAMER, 1997). Aproximações analíticas para estas EDPs assumem uma série de simplificações, o que introduz um erro numérico grande. Para obtermos soluções mais próximas da solução real é necessário o uso de técnicas numéricas. A simulação de dispositivos semicondutores ajuda no entendimento do comportamento elétrico, térmico e óptico, sob diferentes condições de funcionamento, e o projeto de vários dispositivos sem a sua efetiva fabricação (LI, 2012). Muitas vezes são necessários códigos computacionais próprios para o projeto de dispositivos em laboratórios de pesquisa e desenvolvimento, para dar flexibilidade ao projeto e simulação de novos dispositivos e a adição de efeitos físicos e diferentes modelos matemáticos, a fim de se obter soluções mais fidedignas aos dispositivos de interesse. Neste trabalho apresentamos um modelo para o cálculo das propriedades elétricas e distribuição de portadores de carga, com e sem tensão aplicada, por meio da resolução do sistema de equações diferenciais não lineares acopladas, resultantes das equações básicas dos semicondutores, de forma autoconsistente, para dispositivos de múltiplas junções e diferentes perfis de dopagem. O modelo apresentado aqui comporá o módulo de cálculo de estruturas semicondutoras que será integrado à biblioteca de cálculo de nanoestruturas e poços quânticos desenvolvida no Laboratório de Engenharia Virtual (LEV). 2. Metodologia O conjunto das equações básicas dos semicondutores a serem resolvidas são as seguintes, derivadas do modelo de arraste e difusão em Kramer e Hitchon (1997) e Selberherr (1985). (1) E qp n C 0 0 r n J n qr q (2) t J p p qr q t (3) onde ε 0 e ε r são as permissividades do vácuo e relativa do material, respectivamente, E é Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

236 236 o vetor campo elétrico, q é o valor da carga elementar, p e n são as densidades de + elétrons e lacunas respectivamente, C = N D - N - A é o perfil de impurezas, J n e J p são as densidade de corrente devido a elétrons e lacunas respectivamente e R é a taxa de recombinação. Sendo o vetor campo elétrico e as densidades de corrente dados por: E V (4) Jn qn ne qdnn (5) J qp E qd p (6) p p onde V é o potencial elétrico, μ i e D i são mobilidade e coeficiente de difusão com i = n, p para elétrons e lacunas respectivamente. Para resolver o sistema de equações não lineares acopladas, nas variáveis naturais (V, n, p), potencial elétrico e densidade de portadores, em regime estacionário, foram utilizados os valores para os fatores de escala dados em Selberherr (1985), dando origem ao conjunto de equações diferenciais normalizadas. 2 (7) r V n p C 0 n nv n R 0 pv p R 0 p (8) (9) p T (10) 2 0 V qn onde λ 2 é o quadrado do comprimento de Debye que surge da normalização das variáveis dependentes (KRAMER; HITCHON, 1997). V T = kt/q, k é a constante de Boltzmann, T é a temperatura de rede e n i é uma densidade de portadores intrínseca do material. São disponíveis na literatura vários modelos para a definição dos parâmetros dos materiais, necessários para a resolução das equações do semicondutor, como as taxas de gerações-recombinação (G-R) de pares, e a mobilidade dos portadores livres. Estes parâmetros são geralmente construídos a partir de medidas experimentais e os i coeficientes para o ajuste das curvas experimentais são obtidos e publicados. Para a simulação de dispositivos, os mecanismos de G-R são utilizados combinados, por meio da soma das taxas de G-R relevantes para o dispositivo nas condições nas quais ele é simulado. Na implementação atual os mecanismos de G-R utilizados são: R SRH AUGER R R, (11) descritos em Kramer (1997). O primeiro mecanismo de recombinação do lado direito da equação (11) é devido às vibrações térmicas da rede e é dado pela equação R SRH p np n n n p p i 2 i n i (12) e o segundo é devido à recombinação por emissão Auger, e a equação para o cálculo da contribuição deste mecanismo no processo de G-R é R AUGER 2 pn n C n C p i n p (13) onde C i (equação 13) e τ i (equação 12) são coeficiente de captura e tempo de vida, com i = n, p para elétrons e lacunas respectivamente. Outros mecanismos de geração e recombinação podem influenciar no comportamento do dispositivo em funcionamento (SELBERHERR, 1985). Contudo, os efeitos dos demais mecanismos serão incluídos com o andamento da implementação e o impacto destes será avaliado para cada caso. Vários são os efeitos que podem influenciar na mobilidade dos portadores livres no sólido. Três importantes efeitos que afetam a mobilidade são os espalhamentos devido às vibrações térmicas da rede, colisões com os átomos das impurezas e espalhamentos com outros portadores livres. Este três modelos foram implementados segundo as formulações descritas por Kramer e Hitchon, (1997). Na Fig. 1 é exibido o fluxograma que representa o algoritmo utilizado para o cálculo de um dispositivo para uma faixa de tensão aplicada. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

237 237 Não Lê dados Atualiza tensão Resolve sistema de equações V ext > V max Fim Sim Fig. 1. Fluxograma para variação da tensão aplicada para a determinação da curva J-V. O sistema de equações é resolvido de forma autoconsistente para cada valor de tensão. A Fig. 1 representa o processo de cálculo da curva de densidade de corrente em função da tensão aplicada. Para a resolução do sistema de equações, em condição estacionária e 1D, as equações normalizadas são discretizadas por meio do método de diferenças finitas, e o método iterativo de Newton, para sistemas não lineares, é empregado para encontrar os valores das variáveis nodais no interior do domínio (V, n, p). Para a aplicação do método de Newton, escrevemos o sistema de equações na forma residual, resultando no seguinte sistema de equações: V, n, p 0 F V (14) V, n, p 0 F n (15) V, n, p 0 F p (16) sendo a primeira equação para o potencial elétrico, a segunda para a continuidade de elétrons e a terceira para a continuidade de lacunas. O método de Newton para sistemas de equações é obtido por meio de uma expansão em série de Taylor e truncando no termo da primeira derivada, resultando no seguinte sistema linear: DFx0 x Fx 0 (17) onde DFx 0 é a matriz jacobiana das derivadas parciais da equação a ser resolvida, x 0 é um vetor solução inicial, obtida por algum método analítico, Fx 0 é o resíduo calculado dado um vetor solução. x é a correção para solução atual, obtido da resolução do sistema linear (17). A cada iteração o valor da solução é atualizado por meio da expressão x 1 x 0 x (18) e o processo é realizado novamente para o novo vetor solução x 1. As condições de contorno são impostas nas extremidades do domínio para o potencial elétrico e para as densidades de portadores, como segue, para uma junção PN: V a Vbi x 0 V x (19) 0 x L N A x 0 px (20) 2 ni N D x L 2 ni N A x 0 nx (21) N D x L onde V a é uma tensão externa aplicada, V bi é a barreira de potencial intrínseca da junção, L é o comprimento do dispositivo e N D e N A são a concentrações de impurezas doadoras e aceitadores respectivamente. As condições de contorno para as densidades de portadores são impostas assumindo que na superfície a taxa de G-R seja bem mais alta que no bulk. A barreira de potencial é calculada a partir da concentração de impurezas por meio da equação: kt N D N A V ln (22) bi 2 q ni 3. Resultados e Discussão Duas estruturas foram calculadas para a verificação do modelo na resolução do sistema de equações para diferentes valores Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

238 238 de tensão aplicada. O material utilizado para as duas estruturas foi o silício devido a grande disponibilidade de parâmetros para este material e estruturas calculadas para a comparação e validação da ferramenta Junção PN A primeira estrutura consiste de uma junção PN abrupta, com a primeira camada dopada tipo p, com N A = 5x10 16 cm -3 e a segunda camada dopada tipo n, com N D = 5x10 16 cm -3. Fig. 3. Densidade de elétrons. Fig. 2. Potencial elétrico. Nas Fig. de 2 a 4 são exibidos os valores calculados para as variáveis dependentes (V, n, p) para alguns valores de tensão aplicados. Na Fig. 2 podemos observar a barreira de potencial intrínseca formada na junção, sem tensão aplicada, e polarizando diretamente (reversamente) temos a redução (o aumento) desta barreira. Nas Fig. 3 e 4 são exibidas as densidades de portadores. Nas extremidades, onde o tipo de portador é minoritário, notamos uma diminuição rápida da concentração para o valor em equilíbrio devido à condição de contorno imposta, simulando um contato ôhmico. Fig. 4. Densidade de lacunas. Na Fig. 5 é representada a estrutura de bandas do dispositivo para um valor de tensão aplicada. Em equilíbrio térmico existe um nível de Fermi único para toda a estrutura. Quando aplicamos tensão ocorre a separação deste em dois quasi níveis de Fermi, para elétrons e lacunas, correspondente à tensão aplicada. Como observado nesta figura. Os valores exibidos na Fig. 5 são obtidos a partir das variáveis dependentes (V,n, p) com: E E qv (23) C G E V qv (24) n E Fn EC ln (25) NC Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

239 239 p E Fp EV ln (26) NV Onde, respectivamente, E C e E V são as energia do fundo da banda de condução e do topo da banda de valência, E Fn e E Fp são os quasi níveis de Fermi para elétrons e lacunas, N C e N V são as densidade efetivas de estados nas bandas de condução e valência e E G é a energia do gap. Na Fig. 6 é exibida a curva de densidade de corrente para uma faixa de tensões aplicadas. O passo na variação da tensão aplicada para a obtenção da curva foi de 0.01 volt. A segunda estrutura consiste em um dispositivo de dupla junção PIN. A estrutura simulada representa um dispositivo cuja base é um substrato dopado tipo n+ (N D = 1x10 16 cm -3 ), não degenerado, sobre o qual foi crescida uma camada epitaxial de Si dopado tipo n (N D = 1x10 14 cm -3 ), dopagem mais leve, e uma difusão de impurezas tipo p (N A = 2x10 16 cm -3 ) foi feita na superfície do dispositivo. Os resultados da simulação são exibidos nas Fig. 7 à 10. As análises são semelhantes às da primeira estrutura. Fig. 7. Potencial elétrico. Fig. 5. Bandas de energia. Fig. 6. Densidade de corrente por tensão. 3.2 Junção PIN Fig. 8. Densidade de elétrons. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

240 240 Fig. 9. Densidade de lacunas. posição, etc. Está sendo desenvolvida uma interface gráfica para modelagem e exploração de resultados. Agradecimentos Aos colegas do LEV, ao apoio financeiro da FINEP, projeto PDSENDN/ ; e do CNPq, projetos INCT DISSE e AEB559908/2010-5, e produtividade em desenvolvimento tecnológico e extensão inovadora de A.P; e G.S.V. A.F.P. agrade à CAPES pela bolsa de mestrado. Referências KRAMER, K. M.; HITCHON, W. N. G. Semiconductor Devices: A Simulation Approach. [S.l.]: Prentice Hall PTR, LI, S. 3D TCAD Simulation for Semiconductor Processes, Devices and Optoelectronics. Springer, p , SELBERHERR, S. Analysis and simulation of semiconductor devices. [S.l: s.n.], v. 27. AUBURN UNIVERSITY, PN Junction, Semiconductor Devices, Dísponível em: tml/pn/pn.html. Acesso em: 10 de Mai Fig. 10. Densidade de corrente por tensão. As estruturas junção PN simulada foi baseada no projeto apresentado na página da universidade de Auburn (2015) e junção PIN em Kramer (1997). Os resultados obtidos concordam com os resultados das referências. 4. Conclusões O modelo apresentado obteve bons resultados para as estruturas simuladas para uma grande faixa de tensão, inclusive para tensões negativas. Novos efeitos na mobilidade e taxas de G-R serão incluídos em versões futuras, bem como novas geometrias serão simuladas. O código atual resolve as equações básicas acopladas, de forma iterativa, para a determinação das variáveis dependentes, e gera um arquivo de saída com os valores de diversas grandezas derivadas como: bandas de energia, campo elétrico, densidade de corrente em função da Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

241 241 PLANEJAMENTO E INSPEÇÃO DO TÚNEL DE PLASMA J. S. Guimarães 1,2, R. Moura 1, G. P. Filho 3, C. C. P. Rita 1,3 Projeto: SÍNTESE DE CAMADAS DE PASSIVAÇÃO SOBRE MATERIAIS COMPÓSITOS TERMOESTRUTURAIS ENSAIADOS EM TÚNEL DE PLASMA SUPERSÔNICO. 1 Fatec Faculdade de Tecnologia, Pindamonhangaba, SP. 2 Instituto de Estudos Avançados IEAv 3 Laboratório de Plasma e Processo (LPP), Departamento de Física do ITA, São José dos Campos, SP Resumo No processo de reentrada atmosférica, os veículos espaciais são submetidos a um intenso processo de corrosão térmica, promovido pelo atrito da superfície de tais estruturas e atmosferas planetárias. Tal fenômeno submete estas superfícies a um grande desgaste térmico, podendo colocar em risco toda a tripulação de uma composição tripulada. Tratando-se de um equipamento que não pode haver erros em sua estrutura, ele deve ter seus materiais simulados em condições reais representando o processo de reentrada na atmosfera planetária. Este trabalho tem como objetivo melhorar a qualidade e o funcionamento da tocha de plasma por meio de práticas de manutenção como: desmontagem; limpeza e recuperação de seus componentes; elaboração dos desenhos técnicos de seus componentes; remontagem e realização de testes para caracterização da mesma. De forma a ser realizado um planejamento que possibilite determinar o tempo de duração da tocha plasma, garantido assim uma maior vida útil deste equipamento. Palavras-chave: Túnel de Plasma, Tocha de Plasma, Planejamento. 1. Introdução Os veículos espaciais que entram em atmosferas planetárias (no caso a Terra) necessitam utilizar um sistema de proteção térmica devido ao aquecimento aerodinâmico, que geralmente ocorre na superfície do objeto quando submetido ao processo de reentrada na atmosfera devido à combinação da compressão atmosférica e a fricção do gás atmosférico em sua superfície, onde a configuração geométrica dos veículos espaciais e a trajetória de entrada combinados com o tipo de material utilizado na superfície, define o gradiente de temperatura sobre a superfície do veículo espacial. As características do sistema de proteção térmica de um transporte espacial se baseiam nos materiais usados nas superfícies com alta capacidade na combinação da isolação térmica superficial para inibir a condução térmica no seu interior. O calor desenvolvido por processos aerotermodinâmicos é irradiado para o espaço em virtude de sua superfície com alta emissividade. Os componentes do transporte espacial são compostos por vários materiais, como por exemplo: compósitos de C/SiC; C- SiC/C-SiC. Fig.1 Estação Experimental do LPP - ITA Túnel de Plasma. Este projeto de IC está sendo realizado na Estação Experimental do Laboratório de Plasmas e Processos do ITA (Figura 1). Este túnel de plasma, único em operação no Brasil, opera com potência em 50KW, gera jatos de plasma com velocidade de Mach 4, com diâmetro em torno de 1,5 metros. Os níveis de entalpia específica atingem 10MJ/kg e temperaturas de jatos de plasma da ordem de 3.000K. A presente proposta está voltada para o aprendizado global e especializado em manutenção industrial do túnel de plasma, promovendo a competência técnica e capacidade gerencial, habilitando o profissional a intervir nos processos Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

242 242 produtivos e organizacionais que tornem o projeto mais ágil, eficiente e produtivo. 2. Metodologia Para o desenvolvimento deste projeto, a metodologia utilizada está sendo a de desmontagem da tocha de plasma; limpeza e recuperação das peças da mesma; execução dos desenhos 2D e 3D destas peças com o auxílio do programa Autodesk Inventor; remontagem da tocha, e finalmente a caracterização das melhores condições de funcionamento desta tocha. Fig. 2 Tocha de Plasma utilizado na estação Experimental do LPP - ITA Túnel de Plasma. 3. Resultados e Discussão Nesta etapa do projeto, foi mapeada a tocha de plasma, como pode ser visto na figura 4. Pode-se então, concluir que os objetivos estão sendo alcançados, pois neste período foi obtido uma visão do funcionamento da tocha de plasma e seus componentes, mostrando a importância da documentação técnica e elaboração dos desenhos para futuras melhorias, otimizações de rendimento e possibilidade de realizar simulações em programas compatíveis. Fig. 3 Tocha de Plasma em 2D. Fig. 4 Tocha de Plasma em 3D. 4. Conclusões No momento foram realizados com êxito a desmontagem da tocha; limpeza e manutenção de seus componentes; e execução dos desenhos 2D e 3D dos mesmos. Estando o trabalho agora na fase de caracterização das melhores condições de funcionamento desta tocha de plasma. A vantagem de termos todas às especificações e o projeto dos componentes do túnel de plasmas registrado no programa INVENTOR é a possibilidade de podermos desenvolver atividades específicas em programas compatíveis com AUTOCAD, SOLIDWORKS e CST (Computer Simulation Technology), de forma a somar com o estudo deste projeto e projetos futuros. Agradecimentos A FATEC Pindamonhangaba, ao Instituto de Estudos Avançados IEAv, (ITA), (IAE), Agência Espacial Brasileira (AEB) e ao CNPQ. Ao meu orientador Gilberto Petraconi Filho, co-orientador Cristhian Cley Patterniani Rita. Referências SOLONENKO, Oleg. Thermal Plasma Torches and Technologies. Plasma Torches: Basic Studies and Design. Cambridge: Cambridge International Science Publishing, v BARROS, Edson. Plasma térmico para ablação de materiais utilizados como escudo de proteção térmica em sistemas aeroespaciais Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica,São José dos Campos Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

243 243 PROCESSAMENTO E CARACTERIZAÇÃO MECÂNICA DE FERRITA NiCo M. S. Hieda 1,2*, J. P. B. Machado 3, V. L. O. de Brito 1,2 Projeto: Processamento e Sinterização de Compósitos à Base de Ferritas. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Programa de Pós-graduação em Ciência e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Laboratório Associado de Sensores e Materiais, São José dos Campos SP. Resumo As ferritas à base de níquel e cobalto possuem aplicações em sensores de campo magnético e de tensões mecânicas. Em trabalhos anteriores, a ferrita Ni 0,9 Co 0,1 Fe 2 O 4 (ferrita NiCo) teve microestrutura e propriedades magnetostrictivas estudadas e foi verificado que este material possui sensibilidade magnetoelástica relativamente alta, tornando-a apropriada para aplicações em transdutores magnetoelásticos. Este trabalho teve como objetivo o processamento e a determinação da resistência mecânica da ferrita NiCo através de ensaios de flexão. Palavras-chave: Ferrita, microestrutura, Propriedades mecânicas, Cerâmica magnetostrictiva, Ensaio de flexão. 1. Introdução As ferritas de cobalto utilizadas em sensores de campo magnético (Brito, 2012) e de tensões mecânicas (McCallum, 1999) surgiram como uma alternativa de menor custo e maior resistência à corrosão em relação ao Terfenol (Tb 0,3 Dy 0,7 Fe 2 ) e outros compostos deferro com terras-raras (McCallum, 2012). Ferritas de cobalto e compósitos à base de ferrita de cobalto são mecanicamente robustas e podem ser ligadas a partes metálicas, além de possuírem alta sensibilidade na indução magnética ao estresse (McCallum, 2001). A adição de pequenas quantidades de cobalto em ferritas de níquel tem efeitos significativos em suas propriedades magnéticas, como um máximo no valor de permeabilidade em amostras com concentração de cobalto de, por exemplo, x = 0,01 em Ni 1-x Co x Fe 1,98 O 4 (Chan, 2008). A ferrita NiCo, como todo material cerâmico, possui resistência à altas temperaturas, à corrosão, mas é frágil com pouca tenacidade e ductilidade. 2. Metodologia O pó de ferrita NiCo foi produzido pelo método cerâmico. Misturou-se NiO, Co 3 O 4 e Fe 2 O 3, de acordo com a estequiometria da ferrita Ni 0,9 Co 0,1 Fe 2 O 4 em um moinho de bolas em meio úmido (água destilada) por 30 horas a 150 rpm. Calcinou-se a mistura a 900 o C por 4h. Moeu-se o pó calcinado em moinho de bolas por 24h a 150 rpm. Então, foram compactadas por prensagem uniaxial amostras em forma de pastilhas com 8mm de diâmetro e de barras de 56mm de comprimento, a 40MPa, que foram sinterizadas a 1350 o C 3h. A verificação da formação da ferrita espinélio foi feita por difração de raios-x (DRX). Análise mecânica foi executada por ensaio de flexão seguindo-se a norma ASTM C Resultados e Discussão A partir do espectro de DRX (Fig. 1), observou-se a ausência de picos além dos esperados para uma ferrita espinélio, Fe 3 O 4. O parâmetro de rede da ferrita foi de 9,205Å e a densidade 3,994 g.cm -3. Na literatura (Maqsood, 2011) têm-se o valor de 5,368 g.cm -3. Portanto, os valores diferentes obtidos através dos dados obtidos pelo difratograma se devem ao deslocamento dos picos devido à altura não ideal da amostra no porta amostras. A partir do ensaio de flexão de 4 pontos (Fig. 2) obtiveram-se os valores de deslocamento médio e de carga média aplicada em 29 corpos de prova, 0,13 mm e Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

244 Intensidade (u.a.) ,11 N, respectivamente. E a tensão média de ruptura foi de 22,25 MPa (111) (200) (311) (222) (400) ( o ) (422) (440) (511) (533) Fig. 4: DRX da ferrita NiCo com picos característicos de uma ferrita espinélio, Fe3O4. Transaction on Magnetics, v. 35, p , McCALLUM, R. W.; SNYDER J. E.; DENNIS, K. W.; SCHWICHTENBERG, C.R.; JILES, D. C. Material for magnetostrictive sensors and other applications based on ferrite materials, United States Patent, Mar McCALLUM, R. W.; DENNIS, K. W.; JILES, D. C; SNYDER J. E.; CHEN, Y. H. Composite magnetostrictive materials for advanced automotive magnetomechanical sensors, Low Temperature Physics, v. 27, p , CHAN, K. C.; LIEW, X. T.; KONG, L. B.; LI, Z. W.; LIN, G. Q. Ni 1-x Co x Fe 1,98 O 4 Ferrite Ceramicswith Promissing Magneto Dieletric Properties, Journal of American Ceramic Society, v. 12, p , MAQSOOD, A.; KHAN, K. Structural and microwave absorption properties of Ni (1-x) Co (x) Fe 2 O 4 (0.0 x 0.5) nanoferrites synthesized via coprecipitation route, Journal of Alloys and Compounds, v. 509, n. 7, p , ASTM INTERNATIONAL, C Standard Test Method for Flexural Strength of Advanced Ceramics at Ambient Temperature, (a) (b) Fig. 2. (a) antes e (b) depois da aplicação da tensão no ensaio de flexão. 4. Conclusões Através do processamento pelo método cerâmico foi possível obter a ferrita espinélio Ni 0,9 Co 0,1 Fe 2 O 4. Além disso, a compactação uniaxial e a sinterização a 1350 o C por 3h produziram amostras com tensão média de ruptura de 22,25 MPa. Agradecimentos À CAPES e à CNPq pelo apoio financeiro, à AMR/IAE pelo equipamento para realizar os ensaios de flexão. Referências BRITO, V. L. O.; CUNHA, S. A.; LEMOS, L. V.; NUNES, C. B. Magnetic Properties of Liquid-Phase Sintered CoFe 2 O 4 for Application in Magnetoelastic and Magnetoeletric Transducer, Sensors (Basel), v. 12, p , jul McCALLUM, R. W.; SNYDER J. E.; DENNIS, K. W.; SCHWICHTENBERG, C.R.; JILES, D. C. Metal-bonded Co-ferrite composites for magnetrostictive torque sensor applications, IEEE Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

245 245 PROPOSTA DE UMA NOVA META-HEURISTICA BASEADA NO CICLO DE VIDA DE TARTARUGAS MARINHAS C. A. da Silva Junior 1,2*, W. B. Saba 3, N. M. Abe 3, A. Passaro 3 Projeto: Metodologias computacionais aplicadas ao desenvolvimento de sensores e atuadores FASE II. 1 Universidade Federal de São João del Rei - Departamento de Matemática, São João del Rei MG. 2 Instituto Tecnológico da Aeronáutica PG-CTE, São José dos Campos SP. 3 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. Resumo Este trabalho apresenta os primeiros resultados de um novo algoritmo de otimização proposto como parte da tese de doutorado do PG-CTE. Esse algoritmo é baseado no ciclo de vida das tartarugas marinhas e apresenta duas fases distintas: uma destinada a intensificação (busca local) e outra destinada a diversificação (busca global), que se alternam durante a busca. Os primeiros resultados obtidos com esse novo algoritmo se mostraram satisfatórios, quando comparados com alguns algoritmos utilizados na literatura. Palavras-chave: Meta-heurísticas, STO, Otimização. 1. Introdução Meta-heurísticas são algoritmos de busca inspirados em evolução, ou comportamentos sociais, ou aspectos físicos que permitem obter boas soluções para um problema de otimização num tempo computacional polinomial (Talbi, 2009; Eberhart e Shi; 2000; Khajehzadeh et al., 2011; Samarghandi et al., 2013; Boussaid et al., 2013). Meta-heurísticas podem explorar o espaço de busca, isto é, a região formada pelas soluções candidatas do problema, de duas formas: pela diversificação, que é a exploração mais ampla do espaço de busca, ou pela intensificação, que é fazer uma busca intensa, ou seja, uma busca mais detalhada numa determinada região considerada promissora. Esses dois conceitos são conflitantes, visto que, de uma forma geral, essas diretrizes exigem estratégias diferentes para serem alcançadas. O modelo do problema estudado pode fazer com que um determinado algoritmo apresente um desempenho melhor do que outro, o que motiva o aprimoramento contínuo das meta-heurísticas (Tsafarakis et al., 2013; Neri et al., 2013; Vesselinov e Harp, 2012; Plastino et al., 2011; Soto et al., 2013). Uma das formas mais utilizadas no aprimoramento de algoritmos de otimização é a hibridação de algoritmos de busca. Uma maneira de criar algoritmos híbridos é fazer com que dois ou mais algoritmos trabalhem juntos de forma paralela ou sequencial (Noori e Ghannadpour, 2012; Layeb, 2013). Outra forma de hibridação utilizada é a mescla de operações de métodos de otimização distintos, isto é, inserir uma operação ou uma fase de um algoritmo como uma etapa a ser executada por outro (Tsafarakis et al., 2013; Vesselinov e Harp, 2012). A hibridação é aplicada para que sejam desenvolvidos algoritmos mais robustos, eficientes, capazes de fugir do aprisionamento em regiões de mínimos locais e que apresentem melhor desempenho na resolução dos problemas do mundo real. Além disso, a hibridação de algoritmos procura obter um maior e melhor equilíbrio entre a diversificação e a intensificação, ou seja, fazer com que o algoritmo seja capaz de fazer uma varredura mais ampla do espaço de busca mas, ao mesmo tempo, provendo a ele a capacidade de fazer uma busca refinada por mínimos locais em regiões específicas. O grande número de propostas de algoritmos híbridos e a grande quantidade de referências com a sua utilização são a inspiração para o desenvolvimento de um algoritmo que apresente na sua estrutura uma fase destinada à intensificação (busca local) e outra destinada à diversificação (busca global). Esse tipo de algoritmo pode Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

246 246 prover um maior equilíbrio entre a intensificação e a diversificação, sem a necessidade de um dos tipos de hibridação citados. O algoritmo proposto é inspirado no ciclo de vida das tartarugas marinhas. Seu objetivo é fazer com que sejam alternados períodos de intensificação e diversificação durante o processo de busca. Depois de desenvolvido o algoritmo é necessário fazer a análise de sensibilidade dos parâmetros de entrada do novo algoritmo. Para isso serão seguidas as estratégias propostas em (da Silva Junior et al., 2014a, 2014b), e a métrica definida em tais trabalhos será utilizada para definir os parâmetros de entrada padrão a serem utilizados pelos futuros usuários e para um melhor entendimento do novo algoritmo. O novo algoritmo foi implementado no framework de otimização (da Silva Junior et al., 2013) em desenvolvimento no Laboratório de Engenharia Virtual do Instituto de Estudos Avançados (LEV/IEAv). 2. Metodologia Propomos um algoritmo de otimização inspirado no ciclo de vida das tartarugas marinhas, descrito sucintamente na Fig. 1, que apresenta, de uma forma básica, três fases distintas (Santos et al., 2011): do nascimento até a chegada ao mar; do período de crescimento; de reprodução. A primeira fase do algoritmo é destinada a intensificação (busca local), está relacionada com o nascimento até a chegada dos filhotes ao mar. Nessa fase cada filhote dá pequenos passos no espaço de busca fazendo uma busca localizada numa determinada região do espaço. Devido à predação, os filhotes serão eliminados numa determinada taxa até que reste apenas um indivíduo em cada um dos ninhos e, com isso, seja possível iniciar a segunda fase. A segunda fase, destinada a diversificação, é inspirada no período de crescimento das tartarugas. Utilizando os indivíduos que restaram na fase anterior, inicia-se uma fase de migração das tartarugas, sobre o espaço de busca. Por serem capazes de migrar grandes distâncias em busca de alimento, nessa fase as tartarugas utilizarão da interação com as demais tartarugas do grupo, de forma a não se limitar o tamanho do passo a ser dado, desde que respeitado o espaço de busca. Em cada uma dessas fases é armazenada, por cada tartaruga, a melhor posição conhecida de valor de função objetivo. Fig. 1. Ciclo de vida das Tartarugas Marinhas Fonte: Na terceira fase, quando a tartaruga cresceu e atingiu a maturidade sexual, cada tartaruga utiliza a posição armazenada na sua memória da melhor função objetivo encontrada durante a fase de maturação para definir a melhor posição para gerar os ninhos. Ela caminha em direção a essa região e deposita os ovos para que sejam gerados os filhotes e se reinicie a fase de busca pelo mar. Esse ciclo é realizado até que um critério de parada seja atingido. Este algoritmo contempla tanto mecanismos de intensificação quanto de diversificação. 3. Resultados e Discussão A primeira versão do algoritmo foi implementada no framework de otimização do LEV. Os primeiros estudos foram com a aplicação do algoritmo para localizar os mínimos globais de algumas das funções testes apresentadas na literatura, dentre elas a função Alpine Nº 1 (Rahnamayan et al., Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

247 ), a função de Griewank (Griewank, 1981; Cho, 2008) e a função de Schwefel (Schwefel, 1981). Em todos os casos foram consideradas funções de teste em duas dimensões. Foram feitos 50 testes com os algoritmos Particle Swarm Optimization PSO (Kennedy e Eberhart, 1995), Black Hole, BH (Zhang et al., 2008), e o Algoritmo das Tartarugas Marinhas - STO.. Os resultados de convergência média são apresentados nas Figs. 2, 3 e 4. onde se encontra o mínimo absoluto é alcançada e a distância da solução obtida ao mínimo absoluto (global), para definir o conjunto de parâmetros de configuração associados ao melhor desempenho do algoritmo. O algoritmo BH não tem parâmetros de configuração. Os percentuais de acerto da região de ótimo global são apresentados na Tab. 1. Fig. 2. Curvas de convergência para a Função Alpine Nº 1 com duas dimensões. Fig. 3. Curvas de convergência para a Função de Griewank com duas dimensões. Os coeficientes de configuração do algoritmo PSO utilizados nesse conjunto de teste foi o proposto em (da Silva Junior et al., 2014b), obtidos a partir de uma métrica que considera o número de iterações necessárias para o algoritmo obter a posição do mínimo, o número de vezes que a região Fig. 4. Curvas de convergência para a Função de Schwefel com duas dimensões. O algoritmo STO, mesmo sem uma análise de sensibilidade dos parâmetros de configuração, mostrou um desempenho similar aos outros dois algoritmos, sendo que no problema de Schwefel se mostrou mais eficiente do que os demais algoritmos. Os estudos do algoritmo estão numa fase inicial. Tab. 1. Percentual de acerto da região do ótimo global pelos algoritmos. Problema BH PSO STO Alpine Griewank Schwefel Conclusões O algoritmo proposto está na fase de análise. Comparações envolvendo outros algoritmos bem conhecidos e um número maior de dimensões (maior número de parâmetros) estão em fase inicial Os primeiros testes, sem nenhuma análise de sensibilidade dos parâmetros de configuração do algoritmo, permitiram obter Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

248 248 resultados satisfatórios. Em alguns dos problemas testes propostos na literatura, o algoritmo apresentou desempenho semelhante ao de algoritmos já estudados. Em um dos casos os resultados obtidos foram superiores aos demais algoritmos, no sentido de encontrar com mais frequência a região onde se encontra o mínimo absoluto. O próximo passo desse trabalho é estudar a influência dos parâmetros de configuração do algoritmo STO no processo de busca, visando identificar o conjunto de parâmetros que permitam o melhor desempenho do algoritmo. Na sequência, o algoritmo será aplicado na otimização de sensores de infravermelho e dispositivos MEMs. O algoritmo também será aplicado aos problemas de logística, localização de facilidades, e resolução de problemas inversos. Agradecimentos A UFSJ pelo apoio à qualificação dos seus docentes e a todos os companheiros do laboratório LEV, que contribuíram com apoio e com sugestões durante as discussões nas reuniões de trabalho e nos seminários. Referências BOUSSAID, I.; LEPAGNOT, J.; SIARRY, P. A survey on optimization metaheuristics. Information Sciences, v. 237, n. 0, p , CHO, H.; OLIVERA, F.; GUIKEMA, S. D. A derivation of the number of minima of the griewank function. Applied Mathematics and Computation, v. 204, n. 2, p , DA SILVA JUNIOR, C. A. et.al. Estudo de frameworks de meta-heurísticas. Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, DA SILVA JUNIOR, C. A. et.al. Estudo dos Parâmetros de Configuração da meta-heurística PSO. Anais do III Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, DASILVAJUNIOR, C. A. et al. A metric to assist the selection of the particle swarm optimization parameters. [S.l.]: CRC Press, EBERHART, R.; SHI, Y. Comparing inertia weights and constriction factors in particle swarm optimization. Proceedings of the 2000 Congress on Evolutionary Computation. CEC00 (Cat. No.00TH8512), Ieee, v. 1, n. 7, p , GRIEWANK, A. O. Generalized descent for global optimization. Journal of Optimization Theory and Applications, Kluwer Academic Publishers- Plenum Publishers, v. 34, n. 1, p , HAJEHZADEH, M. et al. A survey on metaheuristic global optimization algorithms. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, v. 3(6), p , KENNEDY, J.; EBERHART, R. Particle swarm optimization. In: Neural Networks, Proceedings., IEEE International Conference on. [S.l.: s.n.], v. 4, p KHAJEHZADEH, M. et al. A survey on metaheuristic global optimization algorithms. Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, v. 3(6), p , LAYEB, A. A hybrid quantum inspired harmony search algorithm for 0-1 optimization problems. Journal of Computational and Applied Mathematics, v. 253, n. 0, p , NERI, F.; MININNO, E.; IACCA, G. Compact particle swarm optimization. Information Sciences, v. 239, n. 0, p , ISSN NOORI, S.; GHANNADPOUR, S. F. High-level relay hybrid metaheuristic method for multi-depot vehicle routing problem with time windows. Journal of Mathematical Modelling and Algorithms, Springer Netherlands, v. 11, n. 2, p , PLASTINO, A. et al. A hybrid data mining metaheuristic for the p-median problem. Statistical Analysis and Data Mining, Wiley Subscription Services, Inc., A Wiley Company, v. 4, n. 3, p , RAHNAMAYAN, S.; TIZHOOSH H. R., SALAMA, M. M. A., A novel population initialization method for accelerating evolutionary algorithms; Computers & Mathematics with Applications; v. 53, n. 10, p , SAMARGHANDI, H.; TAABAYAN, P.; BEHROOZI, M. Metaheuristics for fuzzy dynamic facility layout problem with unequal area constraints and closeness ratings. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Springer London, v. 67, n. 9-12, p , SANTOS, A. S. dos et al. Plano de ação nacional para conservação das tartarugas marinhas. Brasilia, BRA: Instituto Chico Mendes de conservação da Biodiversidade, ISBN SCHWEFEL, H. P., Numerical Optimization of Computer Models, John Wiley & Sons, Inc., SOTO, R. et al. A hybrid ac3-tabu search algorithm for solving sudoku puzzles. Expert Systems with Applications, v. 40, n. 15, p , TALBI, E.-G. Metaheuristics - From Design to Implementation. 1st. ed. New Jersey: John Wiley and Sons, TSAFARAKIS, S. et al. Hybrid particle swarm optimization with mutation for optimizing industrial product lines: An application to a mixed solution space considering both discrete and continuous design variables. Industrial Marketing Management, v. 42, n. 4, p , VESSELINOV, V. V.; HARP, D. R. Adaptive hybrid optimization strategy for calibration and Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

249 249 parameter estimation of physical process models. Computers & Geosciences, v. 49, n. 0, p , ZHANG, J.; et.al., "Random black hole particle swarm optimization and its application, Neural Networks and Signal Processing, 2008 International Conference on, vol., no., pp.359,365, 7-11 June Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

250 250 THE PHOTOLUMINESCENCE OF A SELF-ASSEMBLED SEMICONDUCTOR QUANTUM DOT R. Y. Tanaka 1,2,*, E. C. F. da Silva 3, N. M. Abe 2, A. Passaro 1,2 Projeto: Edital 033/2010 AEB/ CNPq (Processo n /2010-5), e INCT-DISSE. 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, Programa de Pós-graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos SP. 2 Instituto de Estudos Avançados Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos SP. 3 Universidade de São Paulo, Instituto de Física, São Paulo SP. Resumo Este trabalho apresenta um cálculo computacional de fotoluminescência de um ponto quântico auto-organizado de InAs/GaAs, comparando o efeito da segregação de Índio e do descasamento do parâmetro de rede dos materiais semicondutores utilizados no ponto quântico. Os resultados calculados são comparados com uma medida experimental de fotoluminescência de uma amostra de pontos quânticos. Os resultados apontam também que tanto a segregação quanto o efeito do descasamento afetam significativamente o estado eletrônico do ponto quântico. Abstract This paper presents a computational study of photoluminescence in a self-assembled InAs/GaAs quantum dot comparing the effect of the Indium atom segregation and the strain due to the lattice mismatch of the semiconductor materials that compose the quantum dot. The computed results are compared with an experimental measured photoluminescence of a quantum dots sample. The results also indicate that both the Indium segregation and the lattice mismatch have great influence in the quantum dot electronic configuration. Keywords: Nanotechnology, Finite element method, III-V semiconductors, Band structure. 1. Introduction The discovery of strain-induced formation of islands on the heteroepitaxial growth of semiconductor materials allowed the creation of optical devices that have the potential to exploit the atom like properties of such structures called self-assembled quantum dots (QDs). The growth of selfassembled QDs with uniform size with a variation of just 10% around an average size was first demonstrated using InGaAs/GaAs (Leonard et al., 1993) which remains the most commonly used materials for strained QDs due to their electronic attractiveness, such as their large gap difference (~1.1 ev) (Goldstein et al., 1985). Besides, Indiumbased semiconductors compound and alloys such as InAs, InGaAs and InAlAs possess other interesting electronic properties such as extraordinary electron mobility and high density of surface states (Alamo, 2011). This technology makes feasible new devices concepts that harness the quantum mechanical effects by using the charge confinement, adding degrees of freedom in device design. It is expected that these QDs based devices will benefit several electrooptical applications such as, for example, lasers (Arsenijevic et al., 2014), infrared detectors (Lee et al., 2013), and solar cells (Mellor et al., 2012). In order to compute correctly the QD optoelectronic properties, it is essential to know their composition, shape, and size. These parameters are not easily obtained for such small structures and their values are related to the underlying physical process of the QDs growth mechanism that is not completely understood yet. Besides recent advances in modern high-resolution structural imaging and compositional characterization techniques, such as crosssectional scanning tunneling microscopy (XSTM) and the atom probe tomography (ATP), the exact material composition of a complex structure such as the strained QD cannot be assessed yet (Giddings et al., 2011; Bulutay et al., 2014). It is widely Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

251 Electronic Band Profile (ev) 251 accepted that the trade-off between coherency energy and surface energy explain the strain-induced formation of QDs although the detailed mechanism of nucleation and growth remains an open question (Snyder et al., 1992). A step to this understanding was given with a theoretical study of the island nucleation based on the calculation of the free energy of an island and the Landau theory of phase transitions (Budiman and Ruda, 2000). QD growth studies have shown that strained QDs have well-defined sizes and shapes under a given growth conditions (Moll et al., 1998). However, in order to use them as an active layer in devices such as lasers, the QDs must be encapsulated with a capping layer. The inhomogeneous strain caused by the cap layer around the islands causes a partial decomposition of the QD and drastically changes their shape and chemical composition (Ferdos et al., 2003). Another factor that nontrivially affects the uniformity of the Indium distribution is the annealing process (Zibik et al., 2007). In addition, Indium-based arsenide alloys are characterized by a strong segregation of Indium atoms (Moison et al., 1989) that also modifies the material composition profile changing the devices electro-optical response. The Indium segregation is considerably comprehended for quantum well nanostructures (Martini et al., 2002; Pelá et al., 2013) however, for QDs it is a subject of intense debate (Blokland et al., 2009; Giddings et al., 2011; Maia et al., 2013). Within this context, in Tanaka et al. (2014) it was presented a computer code to compute the QD electronic structure taking into account two phenomena that affect these self-assembled nanostructures: the heterojunction lattice mismatch strain and the effective mass anisotropy. In this work, the computer code is used to calculate the QD photoluminescence (PL) and to demonstrate how the lattice mismatch strain and the Indium segregation affect the observable PL. This work will also compare an experimental PL result obtained by Maia et al. (2012) with the one calculated with this computer code. 2. Methodology This work use the equations presented in Tanaka et al. (2014) to compute the electronic band edges and the charges effective masses of semiconductor materials. The used materials for the QD here studied are indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), and their alloys, In x Ga 1-x As, where x represents the InAs compound proportion in the mixture. In order to demonstrate the effect of the strain in the electronic band profile, Fig. 1 shows the conduction band and valence bands of a hypothetical GaAs/In x Ga 1-x As/GaAs heterostructure with and without the correction of lattice mismatch strain. The indium arsenide concentration x in the In x Ga 1-x As alloy increase linearly from 0% up to 100% in the range between -5 nm and 5 nm conduction band without strain valence band without strain GaAs x=0 x=1 In x Ga 1-x As conduction band with strain heavy-hole band light-hole band split-off band z (nm) GaAs Fig. 1. Electronic band profile of a GaAs/In x Ga 1-x As/GaAs heterostructure with and without the correction of lattice mismatch strain. The energy gap between the conduction band and the valence band with and without the correction of lattice mismatch strain for the GaAs/In x Ga 1-x As/GaAs system is presented in Fig. 2. If e1 and e2 represent the ground state and the first excited state in the conduction band of a QD and h1 and h2, the ground state and the first excited state in the valence band of the same QD, then the first photoluminescence peak is computed by e1h 1 e1 Eg h1, (1) Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

252 Conduction-HH Band Gap (ev) 252 and the second peak, by e2h2 e2 Eg h2, (2) where Eg is the energy gap between the conduction band and the valence band. element and is the wave function value calculated in each nodal point, i. ξ x=0 x=1 ξ 2 ξ energy gap without strain enegy gap with strain ξ 1 Fig. 3. 2D axisymmetric model of a lens shaped QD with the finite element mesh. 0.4 GaAs In x Ga 1-x As GaAs Fig. 2. Energy gap variation of the GaAs/In x Ga 1-x As/GaAs system with and without the correction of lattice mismatch strain. 2.1 Finite element formulation The quantum dot physical state we are interested can be described by the Schrödinger equation: H ˆ r r, (3) z (nm) n E n n in which Ĥ is the quantum mechanical Hamiltonian operator. In order to compute the QD confined energies and their associated eigenvectors, the Finite Element Method (FEM) (Dhatt et al., 2012) is employed in an axisymmetric model with cylindrical coordinates, Fig. 3, where ξ n are the edges of the domain where boundary conditions are applied. Fig. 4 shows an example of a front-face culling 3D image of a ground state solution calculated with the model of Fig. 3. In FEM, the dependent variables and, when necessary, theirs derivatives are calculated in the nodal points which, in the simplest case, coincide with the element vertices. For the Schrödinger equation, the dependent variable is the wave function. Inside each element, τ, the wave function is expanded in terms of a set of base functions, N i : n p N i i1 (4) where n p is the number of nodal points of the i Fig. 4. Front-face culling 3D image of a ground state solution of a QD. The Schrödinger equation is subjected to the following boundary conditions: 0 on n 1 0, (5) on where n is the normal vector. The Weighted Residuals Method (Dhatt et al., 2012) is used to obtain the integro-differential equations that will be numerically minimized to compute the solutions. The final matrix equation for each element, τ, with domain, considering cylindrical coordinates (r, z), is given by: where T A B C ED T, (6) N T 1 M N A d (7) T N N B V d (8) 1 T M N N 2 q 2 C m d (9) r 2 Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

253 253 N T N d D (10) where {x} and {x} T denote a row vector and a column vector, respectively, and m q represents the angular momentum quantum number. The lambda represents a constant 1 normalization factor. M is the anisotropic effective mass matrix defined in Tanaka et al. (2014). 2.2 Indium distribution model The material distribution assumed in this work is based on the description of Indium distribution inside the QD presented by Giddings et al. (2011) that considers an Indium-rich core, starting from 0% at the border and reaching 60% at the QD center. Here, the x(r, z) value corresponding to the Indium concentration in a position (r, z) inside the QD is computed assuming a Gaussian distribution applied both in r- and in z-directions. First, the Indium concentration in z-direction is computed by: x z X x max e zb z 2 2 z 2 x min, (11) where b z zmax is the position of the center of the Gaussian curve peak, 1 z zmax zmin is the standard deviation, 2 x is the maximum Indium concentration, max and x min is the minimum Indium concentration. The values of the variables x max and x min are fixed in 1.0 and 0.0, respectively. The variable is related to the peak s position of the Indium concentration. A value of = 1.0 determines the peak at the top of the quantum dot, while = 0.5 locates the peak at the QD middle. The Indium concentration at a point (r, z), is computed by: x r z xz 2 r 2 2 r, e x 1 where r r r max min min, (12). The variable β is 2 a factor that corresponds to the width of the Gaussian curve. A value of = 1.0 restricts the Gaussian curve width to the order of half of the QD radius and a value of = 2.0 extends the Gaussian curve width to the same order of the QD radius width. Here, X,,, and are fitting variables. Fig. 5 shows the result of this distribution when applied to a typical lens-shaped QD with height of 4 nm and base radius of 12 nm, with = 0.5, and X,, and all equal 1.0. Fig. 5. Distribution of Indium content in a cross-section diagram of an axisymmetric lens shaped QD with 4 nm of height and 12 nm of base radius. The color scale indicates the percentage of Indium compound. 3. Results and Discussions The experimental photoluminescence (PL) data were obtained from Maia et al (2012). The measured PL peak value of the QD sample presented in their work was μm (1.068 ev). The second peak of PL value experimentally obtained was of μm (1.14 ev). The QD dimensions were obtained from a high-resolution transmission electron microscopy (x-tem) image that indicates the height and base diameter of approximately 4 nm and 20 nm, respectively. Figure 6 show the curves of the computed PL wavelengths of the first and second peak (continuous lines) of a lens shaped QD with base radius varying from 4 nm up to 20 nm, compared with experimental ones (dashed lines). These values were obtained using the values of the variables X,,, and, shown in Tab. 1, and were computed using the Particle Swarm Optimization (PSO) in order to best fit the two PL peaks of the experimental sample with the QD dimensions of 4 nm and 10 nm for its height and base radius, respectively, as reported by Maia et al. (2012). The objective function O F (Eq. 13) employed in solving the inverse Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

254 PL Peak (m) PL Peak (m) Energy (ev) Energy (ev) 254 problem utilizes a simple arithmetic sum of the absolute difference between the expected value and the computed one for the first peak e1h1, the second peak e2h2, and the distance that separate them, e1h1 e2h2. O F e1h e2h (13) e1h 1 e2h Tab. 1. Values of the variables X,,, and computed using PSO. Variable Value X The Indium distribution associated with these values of variables is shown in Fig. 7. With this distribution, the computed PL peaks were 1.16 μm and 1.07 for a QD with height of 4 nm and base radius of 10 nm. Without the strain correction, the computed PL peaks were 1.12 μm and 1.00 μm for a dot with the same dimensions. For comparison purpose, the PL peaks were computed considering the QD made entirely of InAs (without Indium segregation) and the results are shown in Fig. 8. In this case, neither the first PL peak nor the second PL peak were matched by the computed ones in the region around the expected base radius dimension of 10 nm. 4. Conclusions In this work, it was shown that for an InAs/GaAs self-assembled QD both the strain and the Indium atom segregation have strong effect on computation of the photoluminescence and a better fit with experimental values are only possible taking them into account. The results presented here are part of an effort to study the influence of a radial Indium distribution in the QD electronic structure WITH INDIUM SEGREGATION exper. e1h1 exper. e2h2 e1h1 e1h1 e2h2 e2h QD Base Radius (nm) WITH STRAIN WITHOUT STRAIN Fig. 6. PL peaks computed for QDs with base radius varying from 4 nm up to 20 nm compared with experimental PL peaks. QDs height fixed in 4 nm. Computed with Indium atom segregation. Fig. 7. Distribution of Indium content in a QD with 4 nm of height and 10 nm of base radius, with values of X,,, and according to Tab. 1. The color scale indicates the percentage of InAs composition in the InGaAs alloy WITHOUT INDIUM SEGREGATION e1h1 e1h1 e2h2 e2h QD Base Radius (nm) exper. e1h1 exper. e2h2 WITH STRAIN WITHOUT STRAIN Fig. 8. PL peaks computed for QDs with base radius varying from 4 nm up to 20 nm compared with experimental PL peaks. QDs height fixed in 4 nm. Computed without Indium atom segregation. Acknowledgements This work was supported by CNPq (grants / and /2012-8). We also would like to thank C. A. da Silva Jr. for the help with the Particle Swarm Optimization. Anais do IV Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v. 4, p , 2015

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