Supervisora: (Engª) Sónia Simões

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1 Realizado por: António Lencastre (MIEMM) Supervisora: (Engª) Sónia Simões Monitor: Pedro Pereira José Loureiro (LCEEMG Jorge Fernandes (MIEMM) Miguel Gomes (LCEEMG) Miguel Loureiro (LCEEMG) Luís Campos (MIEMM)

2 Resumo Este trabalho focou-se nos materiais nanocompósitos e nas suas características, percebendose assim porque é que este tipo de matérias tem vindo a remodelar a indústria dos materiais. Realizou-se também uma experiência prática utilizando um dos métodos analisados para a produção de nanocompósitos, produzindo um nanocompósito de alumínio e nanotubos de carbono. 2

3 Índice Resumo Capítulo 1:Nanomateriais Capítulo 2: Nanocompósitos O que são? Propriedades Métodos de Produção Aplicações Capítulo 3: Atividade Prática Conclusão Referências Bibliográficas

4 Nanomateriais Capítulo 1 O que são? Existem variadíssimas definições para nanomateriais, contudo, até à data ainda não existe nenhuma que seja totalmente aceite mundialmente. A definição mais utilizada está relacionada com o tamanho dos componentes do material. Qualquer material que tenha uma ou mais dimensões do tamanho nano é considerado nanomaterial, apesar de estes puderem ter matrizes de diferentes materiais e propriedades completamente distintas[1]. Propriedades dos nanomateriais Os nanomateriais, regra geral têm, uma superfície de contacto muito maior que a maioria dos outros materiais, o que os torna muito mais reactivos. As suas propriedades mecânicas,magnéticas e ópticas são de salientar. Os nanomateriais também têm excelentes propriedades eléctricas, sendo usados inúmeras vezes em componentes eletrónicos dos computadores e das máquinas [2]. Métodos de Produção de Nanomateriais Os métodos de produção de nanomateriais podem ser classificados em duas áreas: top-down e bottom-up. Top-down são produzidos através de estruturas de maior dimensão. Normalmente são utilizados processos físicos nesta área. Bottom-up é uma área quase contrária da top-down. Nesta área vai-se sintetizando o nanomaterial átomo por átomo. Geralmente são utilizados processos químicos nesta área [3]. Aplicações dos Nanomateriais Actualmente os nanomateriais são aplicados em varias indústrias, desde a automóvel à área da saúde. Com a utilização dos nanomateriais os produtos de hoje em dia tornaram-se muito mais leves,fortes,resistentes e mais eficientes. Um exemplo é a carroçaria dos carros, que antigamente era feitos de metal e hoje em dia são feitos de ligas de carbono (nanomateriais). Isto torna a carroçaria dos carros muito mais leves e resistentes libertando o peso extra que o metal acrescentava ao carro. Ao libertar esse peso extra os motores do carro podem ser muito mais potentes e pesados pois a carroçaria já não pesa tanto. Deste modo os carros do séc. XXI são muito mais potentes e avançados, mas mantendo, em média, o mesmo peso. 4

5 Capitulo 2 Nanocompósitos O que são? Nanocompósitos são materiais constituídos por um ou mais nanomateriais diferentes. Os nanocompostos, no geral, consistem num sólido inorgânico que contem um componente orgânico ou vice-versa. Podem também ser dois ou mais componentes inorgânicos/orgânicos em que pelo menos um deles esteja contido na nanoescala. Os nanocompóstios podem ter matrizes cerâmicas,metálicas ou poliméricas. Além de diferentes matrizes a cada um destes materiais podemos acrescentar variadíssimos revestimentos (metálicos, cerâmicos ou poliméricos) por diversos processos. Isto concede, a cada nanocompósito, diferentes propriedades baseadas na sua matriz, estrutura e revestimento, abrangendo assim uma grande gama de propriedades [4]. Propriedades dos nanocompósitos Metálicos Ao longo dos últimos dez anos tem sido realizada imensa pesquisa sobre o desenvolvimento de nanocompositos de matriz metálica que são reforçados por reações externas entre elementos ou compostos. Os nanocompositos de matriz metálica são escolhidos por possuírem excelentes propriedades mecânicas, como por exemplo: elevada resistência com rotura dúctil, condutibilidade térmica-elétrica e elevada aptidão à conformação.(ver Fig.2) Existem também nanocompósitos que não são de matriz metálica, mas levam um revestimento metálico. Isto também lhes concede algumas dessas propriedades, mas como mantêm uma matriz de um material diferente também contêm propriedades de outros materiais. Um exemplo disso são Fig. 2: Nanocompósito de alumínio com NTCs nanocompósitos de matriz cerâmica que posteriormente são reforçados com uma liga metálica. Deste modo combinam as propriedades metálicas (elevada resistência mecânica e ductilidade) com as propriedades cerâmicas (resistência ao desgaste e dureza elevada) o que resulta numa tolerabilidade elevada em relação a altas temperaturas e, como foi previamente mencionado, uma elevada resistência mecânica destes materiais [4]. Cerâmicos As propriedades dos nanocompósitos de matriz cerâmica resumem-se a uma elevada resistência a temperatura e à corrosão e grande dureza. Regra geral, os nanocompósitos raramente levam revestimento de materiais cerâmicos, sendo este na maioria dos casos a matriz principal [4]. 5

6 Polímeros Uma das grandes características do nanocompósitos de matriz polimérica é o baixo custo de produção. Os polímeros são também caracterizados por terem um baixo peso e uma grande resistência a corrosão, originando grandes problemas a nível ambiental pois torna-os difíceis de decompor no meio natural, causando poluição. Tendo em conta estas características, estes são ideais para as indústrias por serem baratos e de fácil manuseamento [4]. Métodos de Produção Pulverometalurgia Consiste na junção de dois materiais por pós. 1º Juntar dois materiais em pó nas proporções corretas 2º Misturar os materiais através de uma túrbula ou moinho de bolas 3º Compactação dos dois materiais 4º Aquecimento até uma temperatura aproximada do ponto de fusão de modo a que um dos compostos fique no estado pastoso. Ex: Na junção do alumínio com nanotubos de carbono eleva-se os materiais a uma temperatura de 640 graus célsius sendo o ponto de fusão a º Realizar um arrefecimento lento ou rápido dependendo das características que se pretende obter do nanocompósito. Fundição Consiste na junção de dois materiais através da fusão. 6

7 Aplicações Existem diferentes objetos do dia-a-dia que contêm nanocompósitos. Devido às suas grandes propriedades mecânicas, os nanocompósitos vieram reinventar a indústria atual, pois melhoram materiais já conhecidos. Hoje em dia, no campo da bioengenharia e da medicina, os nanocompósitos ajudam os pacientes a recuperarem mais rapidamente quando partem ossos. Este processo ainda está em desenvolvimento, mas já é um exemplo da grande influência dos mesmos no desenvolvimento desta área. (ver Fig.3) Fig. 3: Proteses Humanas Na indústria automóvel, os nanocompósitos começaram a ser utilizados como substitutos de outros materiais (como o ferro e o aço), especialmente nos componentes do exterior dos carros. Estes novos componentes feitos de nanocompósitos têm a mesma ou maior resistência mecânica, mas pesando muito menos. Assim, diminuindo o peso dos carros na parte dos componentes exteriores, pode-se obter uma componente mecânica dos carros muito mais avançada [5]. 7

8 Capítulo 3 Atividade Prática Pulverometalurgia Introdução A pulverometalurgia pode ser dividida em 3 grandes etapas: a mistura dos pós, a compactação e a sinterização. É um processo que permite fazer um leque muito variado de peças, a um valor muito acessível. Mistura de pós: preparar uma mistura homogénea entre o pó de Al e os CNTs. Percentagens: 99.25% de Al e 0.75% de CNTs. (ver Fig.4) Compactação: consolidar a mistura. Prensagem convencional numa forma pré-determinada com pressão de 25 a 50 MPa Sinterização: consolidar as partículas de pó. Fig.4:Túrbula Aquecimento com temperaturas abaixo do ponto de fusão do principal constituinte (640º, durante 1h). No âmbito do projeto FEUP, realizou-se este método na produção de um nanocompósito de Alumínio e Nanotubos de Carbono. O mesmo método (pulverometalurgia) foi realizado por dois processos. O primeiro foi utilizando duas máquinas distintas, para a compactação e para a sinterização. No segundo, utilizou-se uma máquina de tração para realizar tanto a compactação como a sinterização. Para isto, à máquina de tração, juntou-se uma bomba vácuo.(ver Fig.5) 8

9 No primeiro processo, a compactação é realizada manualmente através de uma prensa, utilizando-se de seguida um forno a vácuo. Neste último, é preciso primeiro ligar a bomba de vácuo para permitir a sua existência dentro do forno. Este processo demora cerca de uma hora. De seguida, aquece-se o forno (o forno utilizado aquece a 5ºC/minuto). A mistura comprimida é aquecida durante uma hora e meia, sendo depois arrefecida (5ºC/minuto). Todo processo demora cerca de 12 horas. Fig.5:Bomba de vácuo No segundo processo, a compactação e a sinterização são realizadas ao mesmo tempo numa máquina de tração juntamente com uma bomba de vácuo. (ver Fig.6) Para se atingir o vácuo, utiliza-se a bomba, mas neste caso só demora 20 minutos. Depois coloca-se os moldes, uma pastilha de tungsténio na máquina, tapando com um cilindro de vidro de quartzo. Neste processo, a mistura é aquecida a 10ºC/minuto. Depois do aquecimento, a mistura é arrefecida (a 10ºC/minuto), estando depois já totalmente solidificada. Fig.6: Máquina de Tração 9

10 Conclusão Conclui-se, com a realização deste trabalho que a utilização de matérias nanocompósitos e um dos grandes avanços da indústria, pois a produção dos mesmos permite alcançar as propriedades pretendidas muito mais facilmente do que com os materiais tradicionais. A atividade prática realizada no âmbito deste projeto fundamenta esta conclusão, pois utilizando o método da pulverometalurgia para a produção de um nanocompósito de alumínio e nanotubos de carbono, conseguimos aumentar a resistência mecânica do material, atingindo níveis muito superiores ao da liga de alumínio. 10

11 Referências bibliográficas [1]: 2010_considerations_on_a_definition_of_nanomaterial.pdf [2]: [3]: [4]: PT&lr=&id=UpGnW8I_AvIC&oi=fnd&pg=PR5&dq=nanocomposite&ots=e_Rig85yBj&sig=iZv7Y- DBYD_yZueZfG_hwg-gV6s&redir_esc=y#v=onepage&q=nanocomposite&f=false [5]: 11