Produção de nanomateriais Relatório Projeto FEUP Como se produz uma multicamada?

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1 Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Produção de nanomateriais Relatório Projeto Como se produz uma multicamada? Projeto 2016/2017 LCEEMG e MIEMM: Alexandre leite Sónia Simões Equipa : MGM_4 Supervisor: Sónia Simões Monitor: Tatiana Padrão Estudantes & Autores: Ana Catarina Costa up @fe.up.pt Pedro Teixeira up @fe.up.pt António Alves up @fe.up.pt Gonçalo Azevedo up @fe.up.pt Rafaela Silva up @fe.up.pt Jorge Ungaro up @fc.up.pt Porto, 3 de Novembro de

2 Resumo O presente relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular projeto que tem como objetivos a integração social e académica, divulgar os serviços do campus, facilitar as aprendizagens iniciais e fornecer ferramentas fundamentais para a vida profissional de um engenheiro. Os nanomateriais são partículas que se encontram numa escala nanométrica de 10-9 metros. Estes materiais têm diferentes aplicações nos mais diversos produtos do dia a dia. As multicamadas são constituídas por nanomateriais alternados entre si por camadas, podendo conter dois ou mais tipos de nanomateriais. Com este relatório pretende-se compreender o processo de produção e estrutura dos nanomateriais. Para tal procedeu-se á produção de uma multicamada de Al/Cu pelo processo de deformação plástica severa (ARB). Obteve-se como resultado final uma multicamada composta por 6 ciclos de alumínio e cobre. Palavras chave Nanomateriais; Multicamadas; Produção de multicamadas; Extração de Cobre; Propriedades das multicamadas; Aplicações das multicamadas; 2

3 Índice Resumo 2 Palavras chave 2 Lista de figuras 4 1. Introdução Cobre - Desde a extração à produção Extração do cobre Obtenção do cobre O que é uma multicamada? Tipos de Multicamadas Métodos de Produção de Multicamadas Deformação Plástica Severa Pulverização Catódica Eletrodeposição Aplicações Industriais das Multicamadas Propriedades das Multicamadas Parte Experimental Materiais Processo de Fabrico Conclusões 14 Referências Bibliográficas 15 3

4 Lista de Figuras Figura 1- Esquematização de diferentes nanomateriais; Figura 2- esquematização da refinação eletrolítica; Figura 3- Forno de revérbero; Figura 4- Esquematização de uma multicamada constituída por materiais A e B. Figura 5- Esquematização de uma camada de Ni/Al; Figura 6- Esquematização da laminagem de uma placa pelo processo de deformação plástica severa; Figura 7- Processo de pulverização catódica; Figura 8- Eletrodeposição das partículas de ouro sobre o anel de alumínio; Figura 9- Chapas de cobre e alumínio após serem laminadas; Figura 10- Passo(2)- Chapa de alumínio a ser lixada; Figura11- Espessura da chapa de alumínio apos ser laminada; Figura 12- Espessura da chapa de cobre apos ser laminada; Figura 13- Passo (7)- produção da multicamada; 4

5 1. Introdução A nanotecnologia consiste na capacidade de manipulação, estudo e controle da matéria segundo uma escala nanométrica, utilizando técnicas para a reorganização da estrutura molecular dos materiais usados. [1] Deste modo a nanotecnologia permite criar estruturas consideradas simples a uma escala reduzida, na ordem dos 10-9 metros. [1] Esta tecnologia revelou-se essencial em politicas de desenvolvimento tecnológico e cientifico. As suas aplicações estão em utilização em diversos produtos no setor industrial, tais como na saúde, eletrónica, química, cosméticos, compósitos e energias. [2] Os nanomateriais são materiais que tem a sua estrutura compreendida na ordem dos 10-9 metros. Estes materiais estão presentes nos mais diversos produtos de consumo no nosso dia a dia, desde de dentífricos a baterias, tintas e vestuários. [3] A Figura 1 apresenta diferentes nanomateriais como o grafeno, nanotubo de carbono e fulereno. Fig.1- Esquematização de diferentes nanomateriais. [5] 1.1 Cobre- Desde a extração à obtenção O cobre é um elemento químico que é representado pelo símbolo Cu e que à temperatura ambiente se encontra no estado sólido. É classificado como metal de transição, pertence ao grupo 11 (1B) da Tabela Periódica. É um dos metais mais importantes industrialmente, dúctil, maleável e bom condutor de eletricidade. Conhecido desde a pré-história, o cobre é utilizado atualmente, para a produção de materiais condutores de eletricidade (fios e cabos), e na produção de ligas metálicas como latão e bronze. [8] 5

6 1.1.1Extração do cobre Existem dois minérios sulfurosos, onde é mais comum se encontrar cobre: a calcosite, constituída por cobre (80%) e enxofre, e a calcopirite, constituída por cobre (34.5%), enxofre e ferro. Esta última é mais usada na extração por ser mais económica. Antes de ser lhes ser extraído o cobre, os minérios são submetidos a uma preparação física, com o objetivo de os enriquecer, eliminando, assim, todos os elementos não metais. [9] Obtenção de cobre [8] 1ª operação Os minérios sulfurados sofrem uma calcinação que elimina os elementos voláteis e prepara a eliminação do enxofre. Os minérios oxidados são tratados num forno, especial chamado Water Jacket, no qual o oxigênio do minério é reduzido. Este forno possui paredes de alvenaria que são revestidas de camisas metálicas com circulação hidráulica, com o objetivo de aumentar a sua duração. Por um processo complexo, o enxofre e o oxigênio são eliminados formando um gás sulfuroso SO2 (adicionado com água é recuperado para a fabricação de ácido sulfúrico). O cobre é então extraído sob uma forma ainda impura chamada massa cúprica. A operação é exotérmica. 2ª operação A próxima etapa é o aquecimento do composto num forno de revérbero (fig.3), na presença de oxigénio. Boa parte do enxofre e das impurezas do concentrado são eliminadas. O material obtido nesta etapa tem entre 35 a 55 % de cobre, sendo ele designado de mate. Posteriormente o mate irá para um conversor. Este forno tem a forma de um cilindro onde acontece a oxidação do mate para que o enxofre e o ferro sejam eliminados por completo. Deste modo, obtém-se o cobre bruto, ou cobre blister, com 98 a 99 % de pureza que está pronto para ser refinado. 3ª operação Por fim, dispõem-se de dois tipos de refinação: a térmica e a eletrolítica. Na térmica, o cobre em bruto é fundido para que as impurezas restantes sejam eliminadas. O cobre purificado, assim obtido, contém um nível de pureza superior a 99%, sendo o mais utilizado comercialmente. 6

7 Na eletrolítica, o cobre é vazado em placas que constituem os ânodos e que mergulham num banho de sulfato de cobre e sulfato de ferro. O cátodo é formado por uma folha fina de cobre puro. Durante a passagem de uma corrente contínua no banho, o ânodo (Cu) oxida-se e os iões de Cu² + depositam-se sobre o cátodo enquanto que os iões SO4 2- combinam-se com os metais dos ânodos e originam sulfatos que regeneram o eletrólito. Obtém-se, assim, uma filtragem seletiva do cobre por eletrodeposição (fig.2), em que a sua pureza é de 99,98%. 4ª operação Cobre OFHC (isento de oxigênio e de alta condutividade): Este metal é obtido por fusão, seguido pela desoxidação dos cátodos obtidos por eletrólise e por fim fundido sob atmosfera redutora. Pode conter até 99,995 % de cobre, e torna-se excelente condutor de corrente elétrica. Fig.2- Esquematização da refinação eletrolítica.[6] Fig.3 Forno de revérbero.[7] 7

8 1.2 O que é uma Multicamada? As multicamadas são conjuntos de estratos de dois ou mais nanomateriais diferentes alternados entre si (fig.2). Uma multicamada pode variar no número de camadas, podem possuir poucas camadas como também podem conter mais de Uma camada individual pode ter uma espessura entre poucos átomos até uns poucos milhares de átomos a variação da espessura das camadas cria diferentes tipos de propriedades ( magnéticas, térmicas, mecânicas e outras propriedades físicas) as multicamadas são dos primeiros materiais a ser feitos ao nível atómico. [10] Fig.4- esquematização de uma multicamada constituída por materiais A e B. [2] 1.3 Tipos de Multicamadas As Multicamadas são constituídos por nanomateriais, podendo conter dois ou mais. Deste modo, existe uma diversidade de multicamadas que podem ser produzidas. As Multicamadas de Cu/Al (cobre e alumínio), Ni/Al (níquel e alumínio) (fig.5), Pb/Al (chumbo e alumínio) e Sn/Al (estanho e alumínio), são alguns exemplos de multicamadas com dois tipos de nanomateriais que se podem produzir. No entanto existem multicamadas constituídas por mais que dois materiais, como é o caso da multicamada de Pb/Sn/Al (chumbo, estanho e alumínio). 8

9 Fig. 5- Esquematização de uma camada de Ni/Al [11] 1.4 Métodos de produção de Multicamadas As Multicamadas podem ser produzidas a partir de diferentes métodos sendo eles deformação plástica severa (ARB), pulverização catódica e eletrodeposição Deformação Plástica Severa (ARB) Os processos de deformação plástica severa (ARB) são processos de deformação de metais de grão ultrafinos. Neste processo ocorre a laminagem, que consiste na junção de duas placas metálicas unidas através de compressão (fig.6). Posteriormente estas placas são cortadas ao meio e laminadas. Define-se assim como um processo de deformação mecânica imposta as placas metálicas. Fig.6- Esquematização da laminagem de uma placa pelo processo de deformação plástica severa.[12] 9

10 1.4.2 Pulverização Catódica O alvo ao ser bombardeado por átomos ou iões com muita energia sofre erosão, ocorrendo a remoção de uma camada superficial de átomos, estas serão posteriormente depositados, formando camadas (fig7). [13] Fig.7- Processo de pulverização catódica [13] Eletrodeposição A eletrodeposição consiste na deposição em meio líquido de um filme na elétrodo negativo fica a peça que será revestida e no positivo o filme que irá revestir a peça, através da corrente elétrica o filme é oxidado e os iões são atraídos para a peça, onde ocorre a redução (fig.8). Fig.8 - Eletrodeposição das partículas de ouro sobre o anel de alumínio. [4] 10

11 1.5 Aplicações Industriais das Multicamadas [14] As multicamadas tem diversas aplicações industriais nomeadamente em edifícios como hospitais, escolas, residências e industrias. As suas aplicações são múltiplas e variadas, tais como: Alimentação de radiadores; Distribuição de águas sanitárias; Sistemas radiantes em tetos e paredes; Centrais térmicas; Distribuição de ar comprimido; Laboratórios; Instalações térmicas; Semicondutores e processadores de computadores; Células fotovoltaicas; Junção de materiais; 1.6 Propriedades das Multicamadas [10] As propriedades das multicamadas dependem das caraterísticas dos materiais que as constituem. A escolha dos materiais a utilizar na produção de multicamadas é complicada e exige o conhecimento de metalúrgica assim como de física. Por vezes a combinação dos materiais pode resultar em novas propriedades inesperadas. Os nanomateriais que constituem as multicamadas são materiais naturais ou manufaturados e usados numa escala muito redutora. Estes nanomateriais são fabricados com a intenção de aumentar propriedades como a resistência, condutividade e reação química. Apesar de os nanomateriais serem produzidos com intenções benéficas, são ainda muito pouco conhecidos, devendo se por isso ter muito cuidado na produção destes. Como tal são conhecidas algumas vantagens das propriedades dos nanomateriais, tais como: Aumento da Resistência á corrosão; Elevada flexibilidade e estabilidade da sua forma; Aumento da durabilidade; Material extremamente leve; Elevada condutividade, assegurada pela lisura das camadas; Diversidade de diâmetros; 11

12 2. Parte Experimental Como componente experimental deste trabalho, foi produzida multicamada de Al/Cu segundo o processo de deformação plástica severa (ARB), tendo como objetivo a melhor compreensão da produção e estrutura das multicamadas. 2.1 Materiais 1 chapa de Al de 3 mm; 1 chapa de Cu de 3 mm; Lixa; Laminador; Álcool; Guilhotina; Alicate; 2.2 Processo de Fabrico Para a produção da multicamada de Al/Cu foram seguidas as seguintes etapas: (1) Inicialmente coloca-se no laminador, separadamente, as duas chapas de Al e Cu até obter uma espessura reduzida (fig.9; fig.11 e fig.12); (2) Lixam-se as capas de Al e Cu (fig.10); (3) Cortam-se a chapas de Al e Cu, anteriormente laminadas, com o mesmo comprimento, com o auxilio de uma guilhotina; (4) De seguida lixam-se as duas chapas, posteriormente cortadas; (5) Utiliza-se o álcool para proceder á limpeza das chapas lixadas; (6) Sobrepõem-se as duas chapas de Al e Cu; (7) Com a ajuda do alicate colocam-se as chapas, posteriormente sobrepostas, no laminador (fig.13); (8) Após efetuarem o primeiro ciclo no laminador cortam-se ao meio; (9) Sobrepõem-se novamente as camadas de Al e Cu cortadas; (10) Repete-se todo o processo até ao 10º ciclo; 12

13 Fig.9- Passo (1)- Chapas de cobre e aluminio após serem laminadas. Fig.10- Passo(2)- Chapa de alumínio a ser lixada. Fig.11- Espessura da chapa de alumínio apos ser laminada. Fig.12- Espessura da chapa de cobre apos ser laminada. Fig.13- Passo (7)- produção da Multicamada. 13

14 Conclusões A realização deste relatório permitiu expandir os conhecimentos sobre os nanomateriais, desde suas caraterísticas às suas aplicações, bem como sobre a estrutura e produção de multicamadas. Na produção de multicamadas são utilizados pelo menos dois tipos de nanomateriais, podendo ser de diferentes tipos e tamanhos. A produção da multicamada de Al/Cu foi produzida através do método da deformação plástica severa (ARB), no qual procedeu-se á laminagem das camadas. Contudo durante este processo verificaram-se alguns problemas. As multicamadas, após um processo sucessivo de laminagem, separavam-se. Isto ocorreu possivelmente devido á espessura do cobre ser praticamente igual á do alumínio (fig.11 e 12). Deste modo, conclui-se que o processo de deformação plástica severa (ARB) possibilita uma produção em grande escala sem que ocorra a contaminação das multicamadas. 14

15 Referências bibliográficas [1]Euroresidentes, Introdução á nanotecnologia. O que é a nanotecnologia? Consultado em: 06/10/2016 Disponível em: [2] Nanomateriais-Guia para o Espaço Industrial SUDOE consultado em: 6/10/2016 Disponível em: [3] Comissão europeia, O que são nanomateriais? consultado em:16/10/2016 Disponível em: [4]Tavares, Carlos José macedo, Provas de doutoramento em ciência: Produção e caraterização de revestimentos de nanoestruturas em multicamadas de TiAlN/Mo consultado em:14/10/2016 disponível em: [5] consultado em:14/10/2016 Disponível em: [6] consultado em 14/10/2016 Disponível em: [7] Pavanati, Henrique Cezar, Cobre e as suas ligas consultado em : 12/10/2016 Disponível em: [8]Rojas, Carlos, Cobre e a sua obtenção consultado em: 14/10/2016 Disponível em: [9] Pereira, António Clareti, Dissertação de mestrado: Desenvolvimento de procedimento experimental para o diagnóstico de lixiviação de cobre contido em minérios oxidados Consultado em: 15/10/2016 Disponível em: esenvolvimentoprocedimentoexperimental.pdf [10] troy w. barbee, jr, Atomic engineering with multilayers, consultado em: 8/10/2016 Disponível em: [11] consultado em: 12/10/2016 Disponível em: IFXhcM110jt-OhlDCyy3Vx9e_ [12] consultado em: 18/10/2016 Disponível em: nagem/laminagem_esquema_catim.jpg?height=141&width=400 [13] Oerlikon balzers, Pulverização catódica, consultado em: 18/10/2016 Disponível em: [14] Nanomateriais Multicamadas de alumínio e cobre por ARB consultado em: 16/10/2016 Disponível em: 15