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Anais do XIV Encontro de Modelagem Computacional XIV EMC e do II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais II ECTM Nova Friburgo, BrasilEditora: Rede SIRIUS, Universidade do Estado do Rio de Janeiro Organizadores: Gustavo Mendes Platt e Anderson Amendoeira Namen Primeira Edio 2011

Publicado por: Rede SIRIUS Gustavo Mendes Platt (organizador) Anderson Amendoeira Namen (organizador) Universidade do Estado do Rio de Janeiro http://www.emc2011.tk

A Editor LTEX: Gustavo Mendes Platt A usando o pacote confproc do LTEX, verso 0.8 (de V. Verfaille)

Impresso em Nova FriburgoBrasil Novembro de 2011

Anais do XIV Encontro de Modelagem Computacional XIV EMC e do II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais II ECTM, Nova Friburgo, Brasil, 2011

Bem-vindos ao XIV Encontro de Modelagem Computacional e II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais

Prezado(a)s participantes, com grande alegria e satisfao que lhes damos as boas vindas para o XIV Encontro de Modelagem Computacional (EMC) e o II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais (ECTM). A realizao neste ano dos dois encontros cientcos, EMC e ECTM, no IPRJ em Nova Friburgo prova inconteste da tenacidade dos docentes da UERJ. A extenso da tragdia que ocorreu em janeiro de 2011 na Regio Serrana do Estado do Rio de Janeiro ainda afeta seriamente as atividades acadmicas do IPRJ/UERJ e isso certamente repercute nesta edio do EMC e do ECTM, pelo qual pedimos excusas antecipadas. A despeito destes fatos, no poderamos deixar apagar a chama acesa h quatorze anos. A Organizao do XIV EMC e do II ECTM deseja que o evento seja altura das expectativas dos congressistas e agradece sinceramente o apoio e a conana depositados no evento neste ano de enormes diculdades, e o encontro ser, sem dvida, um marco no renascimento de novas atividades plenas. Esperamos que o evento seja uma oportunidade para a intensicao da troca de experincias, do compartilhamento do saber e da produo de conhecimentos. Sejam bem-vindos, tima estada em Nova Friburgo e bom trabalho a todos. Comisso Organizadora XIV Encontro de Modelagem Computacional II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais

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P ROGRAMAO22 de NovembroSesso Metais A (9:30-10:00h) Moderador: Prof. Eduardo Martins Sampaio1 Vitor J. Cortines, Rodrigo A. Queiroz, Ney R. F. Rohem, Eduardo M. Sampaio Aplicao de uma Ferramenta de Inspeo por Ultrassom para Equipamento de Reparo de Dutos 2 Rodrigo A. Queiroz, Vitor J. Cortines, Ney R. F. Rohem, Eduardo M. Sampaio Estudo para Seleo dos Materiais para o Mecanismo de Reparo

Sesso Engenharia Nuclear A (9:30-9:45h) Moderador: Prof. Hermes Alves Filho3 Haimon Alves, Joaquim de Assis, Claudio Valeriano, Caio Turbay Characterization and classication of the rst meteorite fall in Varre-Sai town, southeast Brazil, using X-ray microuorescence technique

Coffee Break (10:00-10:15 h) Sesso Metais B (10:15-11:00h) Moderador: Profa. Mnica Calixto de Andrade4 Jessica Verly, Tamires S. Fernandes, Roseli M. Balestra, Alexandre A. Ribeiro, Luis C. Pereira, Marize V. de Oliveira, Mnica C. de Andrade Revestimento com Fosfato de Clcio em Titnio Poroso e Denso Tratado Supercialmente com Ondas Ultrassnicas 14 Jessica Verly, Hugo da Silva Cassiano, Luidi Kaizer Janetti Perusso, Solange Francisco Nascimento, Mnica C. de Andrade Revestimento de TiO2 em Ao Inoxidvel AISI304 por Deposio Eletrofortica 24 Joaquim Teixeira de Assis, Gabrielle Fernandes Matos, Haimon Diniz Lopes Alves, Vladimir I. Monin, Marcelino Jos dos Anjos Anlise dos Aos AISI 420, AISI 304 e AISI H13 por XRF

Sesso Engenharia Nuclear B (10:15-11:00h) Moderador: Prof. Hermes Alves Filho25 Fabiana T. de A. Peixoto, Wilson F. Rebello, Edmilson M. Souza, Ademir X. Silva, Samanda C. A. Correa, Lourival Brando Determinao, Atravs de Simulao em Monte Carlo, do Spread-Out Bragg Peak (SOBP) para Feixes de Prtons Utilizados em Prton Terapia 35 Guilherme J. de S. Corra, Wilson F. Rebello, Domingos O. Cardoso, Rudnei K. Morales, Samanda C. A. Corra, Ademir X. da Silva Desenvolvimento do Modelo Computacional de um Detector de Germnio de Alta Pureza (HPGe) Utilizando o Cdigo MCNPX 45 Tiago Rusin, Wilson F. Rebello, Helio C. Vital, Sergio O. Vellozo, Ademir X. Silva, Renato G. Gomes Simulao do Irradiador Gama de Pesquisa do Centro Tecnolgico do Exrcito Utilizando o Cdigo MCNPX

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Sesso Cincia dos Materiais A (11:00-11:45h) Moderador: Prof. Ivan Napoleo Bastos55 Marianna de Oliveira da Costa, Mrcia Soares Sader, Glria Dulce de Almeida Soares Produo e Caracterizao de Membranas de Colgeno-Quitosana para Aplicaes Biomdicas 62 Maria Aparecida Pinheiro dos Santos, Cassiano Duarte da Rocha, Maurcio Ferrapontoff Lemos Mdulos Elsticos de Cermicas Compsitas a Base de PZT-Sr com Adies de Si3 N4

68 Vinicio Coelho da Silva, Rafael Teixeira Marques, Marlia Garcia Diniz, Andr Rocha Pimenta Anlise Comparativa entre Diversas Tcnicas de Caracterizao Microestrutural Aplicada a Aos Inoxidveis Hiperduplex

Sesso Otimizao A (11:00-12:00h) Moderador: Prof. Gustavo Mendes Platt78 Fran Srgio Lobato, Valder Steffen Jr. Algoritmo de Cardume de Peixes Associado a um Operador de Busca Local para o Projeto de Sistemas de Engenharia 88 Virgnia S. Costa, Luiz M. Carvalho, Carlile Lavor, Nelson Maculan Anlise Algortmica de Mtodos de Determinao de Estruturas Tridimensionais de Protenas 96 Daniel Gomes Ribeiro, Gisele Moares Marinho Estudo da Dinmica do HIV: Utilizao de um Algoritmo Hbrido de Otimizao-Soluo em um Sistema de Equaes Diferenciais Ordinrias No-Lineares Acopladas 106 Ilya Bechara Masta, Fran Srgio Lobato, Srgio M. da Silva Neiro Uma Nova Abordagem para o Tratamento de Problemas com Variveis Mistas Usando o Algoritmo de Evoluo Diferencial Aplicado ao Projeto de Sistemas de Engenharia

Almoo: 12:00-13:00h Sesso de Abertura do XIV EMC/II ECTM (13:00-14:00h) Corroso e Proteo na Produo de Petrleo Prof. Fernando Mainier Universidade Federal Fluminense Sesso Cincia dos Materiais B (14:00-15:00h) Moderador: Profa. Solange Nascimento116 Paula Gil Patrcio Bezerra, Ingrid Russoni de Lima, Helena Marques Silva, Glria Dulce de Almeida Soares Produo e Caracterizao Fsico-Qumica de Grnulos Bifsicos de Fosfato de Clcio com 5% Mol de Estrncio 122 Gabrielly dos Santos Peregrino, Ingrid Russoni de Lima, Helena Marques Silva, Glria Dulce de Almeida Soares Degradao de Fosfato Triclcico Granular em Meio de Acetato de Potssio sob Condies Esttica e Dinmica 128 Ricardo Hudson da Silva, Eduardo Martins Sampaio Desenvolvimento de Reparo Emergencial em Dutos Utilizando Chapa Colada 129 Patrcia Latado, Giancarlo Pellegrino Propriedades Espectrais do Operador de Schrdinger Unidimensional em Sistemas com Potencial Peneperidico

Sesso Otimizao B (14:00-15:00h) Moderador: Prof. Roberto Pinheiro Domingos130 Gustavo M. Zeferino, Flaviana M. de S. Amorim, Moacir F. de F. Filho, Srgio Ricardo de Souza Uma Soluo do Problema das P-Medianas Usando Metaheursticas 140 Gisele Paranhos de Andrade, Srgio Ricardo de Souza, Moacir Felizardo de Frana Filho, Antnio de Assis Alves Jnior Aplicao das Metaheursticas Simulated Annealing e Busca Tabu na Resoluo do Problema de Maximizao da Taxa de Ocupao de Salas Cirrgicas 150 Daniel Fernandes da Cunha, Marcelo Nascimento Sousa, Marcio Bacci da Silva, Fran Srgio Lobato Determinao das Condies timas para a Usinabilidade da Liga de Alumnio 6351 Usando o Algoritmo Line-Up 159 Romes A. Borges, Fran Srgio Lobato, Valder Steffen Jr. Projeto de um Absorvedor Dinmico de Vibrao No-Linear Usando o Algoritmo de Colnia de Abelhas

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Sesso Metais C (15:00-16:00h) Moderador: Prof. Ivan Napoleo Bastos169 Juliano Maia Ismrio, Ivan Napoleo Bastos Utilizao de Tcnica Eletroqumica para o Clculo do Coeciente de Difuso do Hidrognio em Aos 179 Bruno Alberto Ramos Souza Barbosa, Srgio Souto Maior Tavares, Vernica Anchieta Silva index Avaliao Comparativa da Resistncia Corroso de Revestimento do tipo Clad de Ao Inoxidvel AISI 904L 188 Fernando B. Mainier, Srgio S. M. Tavares, Fabiana R. Leta, Juan M. Pardal index Avaliao do Desempenho de Titnio em Solues de cido Clordrico Contendo Inibidores de Corroso 195 Luana Ferreira Serro, Wallace Palmeira dos Reis, Tatiane de Campos Chuvas, Maria Cindra Fonseca Estudo das Tenses Residuais Geradas em Tratamentos Trmicos de Ao AISI 4340

Sesso Engenharia Qumica (15:00-16:00h) Moderador: Prof. Gustavo Mendes Platt205 Ardson dos Santos Vianna Jr., Fernando Cunha Peixoto Reavaliao da Distribuio de Tamanhos de Partculas 215 Fran Srgio Lobato, Luiz Gustavo Martins Vieira, Marcos Antnio de Souza Barrozo Estudo do Desempenho de Hidrociclones Usando a Metodologia de Superfcie de Respostas e Otimizao MultiObjetivo

Coffee Break (16:00-16:15 h) Sesso Compsitos (16:15-17:00h) Moderador: Prof. Eduardo Martins Sampaio225 Ney Robson Rohem, Eduardo Martins Sampaio, Vitor Cortines, Rodrigo Albani Queiroz Caracterizao de Materiais Compsitos para Reforo e Reparo de Dutos e Tubulaes Industriais 226 Vitor Joachim Cortines, Ney Robson Ferreira Rohem, Rodrigo Albani Queiroz, Eduardo Martins Sampaio Estudo de Parmetros para Confeco de Defeitos em Corpos de Prova de Materiais Compsitos

Sesso Modelagem, Simulao e Controle de Processos A (16:15-17:00h) Moderador: Prof. Joo Flvio Vieira de Vasconcellos227 Larisse Mendes dos Santos, Fabio Silva de Souza, Marcela Richele Ferreira Um Modelo Utilizando Equaes Diferenciais para o Estudo da Inuenza A (H1N1) 236 Solange Conceio de Oliveira, Fernando Leite de Castro Souza, Rodrigo Toms Nogueira Cardoso Controle timo Multiobjetivo de Epidemias Atravs de Vacinao Pulsada nos Modelos SIR e MBI

Sesso Acstica e Vibraes (17:00-18:15h) Moderador: Prof. Roberto Aizik Tenenbaum246 Flvia Gonalves Magnani, E. N. M. Borges, E. S. Costa Estudo da Atenuao de Rudos por Barreiras Acsticas Situadas em Ambientes Fechados 256 Jos F. Lucio Naranjo, Roberto A. Tenenbaum, Julio C. B. Torres HRIR Interpolation Using Articial Neural Networks 265 Marcio Eustquio Maria, Ester Naves Machado Borges, Mrcio M. Afonso Aplicao do Mtodo de Elementos de Contorno na Anlise da Inuncia do Dimetro de um Cilindro Pulsante no Comportamento do Potencial de Velocidade Radiado 275 Cleber de Almeida Corra Junior, Roberto Aizik Tenenbaum Computational Model for Localization of Sound Sources in Vibrating Surfaces 285 Rosilene Abreu Portella Corra, Leonardo Tavares Stutz, Roberto Aizik Tenenbaum Hibridizao entre os Mtodos de Luus-Jaakola e Levenberg-Marquadt na Identicao do Dano Estrutural em Placas via Matriz de Flexibilidade

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Sesso Mtodos Computacionais A (17:00-18:00h) Moderador: Prof. Anderson Amendoeira Namen295 Anderson Amendoeira Namen, Ana Carolina Soares e Soares Minerao de Dados Relacionados ao Aprendizado de Lngua Portuguesa Um Estudo Exploratrio 305 Diego C. Knupp, Antnio J. Silva Neto, Wagner F. Sacco Inverse Analysis of Diffusive Logistic Populations via Integral Transforms and Hybrid Optimization 316 Tadeu de Brito Oliveira Porto, rsula do Carmo Resende, Eduardo Henrique da Rocha Coppoli Anlise de Campos Eltricoestticos Utilizando Mtodos sem Malha 326 Vanessa S. Garcia, Gustavo A. Benitez, Diomar C. Lobo Modeling Aspects of Cancer Therapy: Mathematical Model to Computational Simulation in Boron Neutron Capture Therapy - BNCT

23 de NovembroSesso Plenria (13:00-14:00 h): Inspeo de Equipamentos: Formao e Atuao na PETROBRAS Marcio Humberto Silva Siqueira PETROBRAS Sesso Engenharia Nuclear C (14:00-15:00 h) Moderador: Prof. Hermes Alves Filho337 Marcos Paulo C. de Medeiros, Wilson F. Rebello, Cludio L. Oliveira, Sergio O. Vellozo, Ademir X. Silva Modelagem Computacional e Clculos de Criticalidade do Ncleo do Reator Nuclear Angra 2 Utilizando o Cdigo MCNPX 346 Hugo M. Nascimento, Dany S. Dominguez, Esbel T. V. Orellana Mtodo Espectro Nodal de Grades Compostas para Problemas de Autovalor de Difuso em Geometria X,Y 360 Wilson F. Rebello, Hugo R. Silva, Emmily S. Sandrini, Maria G. Silva, Ademir X. Silva Avaliao, Usando Simulao em Monte Carlo, das Doses Devido a Nutrons sobre o Paciente em Funo do Acrscimo de Blindagem de Chumbo ou Ao s Paredes Internas de Salas de Radioterapia 369 Tiago Rusin, Wilson F. Rebello, Helio C. Vital, Sergio O. Vellozo, Ademir X. Silva, Renato G. Gomes Clculo da Distribuio de Taxa de Dose Dentro de Amostras Irradiadas no Irradiador Gama de Pesquisa do Centro Tecnolgico do Exrcito Utilizando o Cdigo MCNPX

Sesso Otimizao C (14:00-14:45h) Moderador: Prof. Gustavo Mendes Platt377 Fran Srgio Lobato Solution of Chemical Engineering Optimization Problems Using Adaptive Differential Evolutionary Algorithm 386 Fran Srgio Lobato Formulao e Soluo de um Problema Inverso para a Determinao da Converso em Reatores No-Ideais 396 Fran Srgio Lobato, Rubens Gedraite, Srgio M. da Silva Neiro Algoritmo de Coliso de Partculas Aplicado Programao Disjuntiva

Sesso Processamento de Imagens A (15:00-16:00h) Moderador: Prof. Mnica Calixto de Andrade406 Alessandra Martins Coelho, Joaquim Teixeira de Assis, Marcus Peigas Pacheco Gerao de Modelo Digital de Terreno a Partir de Pares Estreos de Fotograas Areas, com Auxlio da Tcnica SIFT para a Deteco de Pontos Homlogos 417 Joel Sanchez Dominguez, Luis Fernando de Oliveira, Nilton Alves Junior, Joaquim Teixeira de Assis Reconstruo 3D de Imagens Tomogrcas, Paralelizando o Algoritmo de Feldkamp Usando CUDA C

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427 Luiz Fernando Rosalba T. de Sousa, Joaquim T. de Assis, Joo Flvio Vieira de Vasconcellos Comparao do Algoritmo SIFT Utilizando Computao Paralela CUDA / GLSL para Reconhecimento de ris 437 Celso Luiz de Souza, Luiz Guilherme Correa Louro, Cristiano Fraga Guimares Nunes, Flvio Luis Cardeal Pdua, Giani David Silva Extrao de Quadros Chaves para Sumarizao de Vdeos

Sesso Mtodos Computacionais B (15:00-16:00h) Moderador: Prof. Anderson Amendoeira Namen446 Eduardo D. Corra, Luiz Mariano Carvalho, Rogrio Saldanha da Gama Simulao do Processo de Transferncia de Calor Conduo/Radiao num Contexto Bidimensional via Elementos Finitos 454 Alfred Gimpel Moreira Pinto, Mrcio Matias Afonso, rsula do Carmo Resende Espalhamento Eletromagntico Solucionado Via FEM-ABC

Coffee Break (16:00-16:15 h) Sesso Cincia dos Materiais C (16:15-17:00 h) Moderador: Prof. Ivan Napoleo Bastos462 Frederico Xavier Ramos, Tatiane de Campos Chuvas, Juan Manuel Pardal, Maria Cindra Fonseca Caracterizao das Tenses Residuais e Microdureza em Tubo Soldado de Ao N80Q 469 Jorge Correa de Araujo, Ana Paula Duarte Moreira, Elizabeth Lima Moreira, Valeria Conde Alves Moraes, Gloria Dulce de Almeida Soares Carbon Atom Position in the PO4 Group of an AB-type Carbonate-apatite: New Insights Using the Simulated Annealing Algorithm Combined with Rietveld Renement 478 Ana Luisa Mills, Joo Vincios Wirbitzki da Silveira, Louise Tessarolli, Edison Bittencourt Estudo da Obteno de Nanobras de Acetato de Celulose Eletroadas com Adio de leos Essenciais

Sesso Modelagem, Simulao e Controle de Processos B (16:15-17:00h) Moderador: Prof. Joo Flvio Vieira de Vasconcellos479 Jardel Lemos Thalhofer, Wilson Freitas Rebello da Silva Junior, Samanda Cristine Arruda Correa, Ademir Xavier da Silva, Edmilson Monteiro de Souza, Delano Valdivino Santos Batista Simulao Computacional do Tratamento de Cncer de Prstata, com Clculo Dose em rgos Sadios, Devido a Ftons, Utilizando Monte Carlo e Fantoma em Voxel

24 de NovembroSesso Plenria (13:00-14:00 h): Fenmenos de Transporte na Indstria de Alimentos: Ligia Damasceno Ferreira Markzac UFRGS Sesso Fenmenos de Transporte (14:00-15:00 h) Moderador: Prof. Joo Flvio Vieira de Vasconcellos488 Josecley Fialho Ges, Marciana Ges Lima, Hlio Pedro Amaral Souto Resoluo Numrica de Escoamentos Compressveis e Incompressveis Empregando o Processamento em Paralelo (CUDA) 499 W. J. N. Pinto, C. A. D. Fraga Filho, J. T. A. Chacaltana Aplicao do Mtodo Lagrangiano SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) para a Soluo do Problema de Cavidades

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508 Ievgeniia Ievsieieva, Joaquim T. de Assis, Olga Yevseyeva, Haimon Diniz Lopes Alves, Ivan Evseev Simulation of XRF with GEANT4 Code 513 Olga Yevseyeva, Joaquim T. de Assis, Ivan Evseev, Francielle Ahmann, Hugo R. Schelin, Edney Milhoretto, Joel M. Hormaza, Katherin S. Daz Comparison Between GEANT4 Simulations for Gold and Polyethylene Absorbers

Sesso Mtodos Computacionais C (14:00-15:15h) Moderador: Prof. Anderson Amendoeira Namen521 Carlos Andrs Reyna Vera-Tudela, Bruno de Souza Silva, Marlucio Barbosa, Edivaldo Figueiredo Fontes Junior O Software MEMEC Aplicado a Problemas de Mecnica da Fratura 530 Gustavo Peixoto Hanaoka, Rodrigo Toms Nogueira Cardoso, Felipe Dias Paiva, Bruno Barroso Estudo Comparativo Utilizando Rede Neural para a Previso de Tendncias em um Srie Temporal Financeira 540 Marcus R. A. dos Santos, Petterson B. S. Costa, Rogrio M. Gomes Utilizao de Redes Neurais para Classicao de Arquivos em Diretrios 550 Dewey Wollmann, Maria Teresinha Arns Steiner, Guilherme Ernani Vieira, Patrcia Arns Steiner Utilizao da Tcnica AHP para Representar Numericamente a Percepo dos Usurios de Operadoras de Sade

Sesso Modelagem, Simulao e Controle de Processos C (15:00-15:45h) Moderador: Prof. Joo Flvio Vieira de Vasconcellos560 Leonardo Carvalho de Jesus, Julio Toms Aquije Chacaltana Descrio da Mar Astronmica na Plataforma Continental da Regio Norte do Esprito Santo 567 Filipe Borges Maia, Laura de Oliveira Carraro, Murillo dos Santos Ferreira, Marlon Jos do Carmo Auditoria da Identicao e Controle de Malhas que Operem com Atraso de Transporte Utilizando ndices No Intrusivos 577 Ursula do Carmo Resende, Marcio Matias Afonso, Maicon Vaz Moreira Avaliao do Espalhamento Eletromagntico para Estruturas Lineares Utilizando o Mtodos dos Momentos

Sesso Processamento de Imagens B (15:15-15:45h) Moderador: Profa. Mnica Calixto de Andrade586 Daniel Gomes Ribeiro, Joo Flvio Vieira de Vasconcellos, Joaquim Teixeira de Assis Identicao da Regio Periorbital Utilizando a Tcnica SIFT em Conjunto com Rede Neural Hbrida

Sesso Estatsticas e Processos Estocsticos (15:45-16:15h) Moderador: Prof. Francisco Moura Neto596 Viviany Leo Fernandes, Maysa S. de Magalhes, Francisco Duarte Moura Neto Grco de Controle 2 para o Monitoramento de Pers Lineares com Intervalos entre Amostras Varivel 607 Deise Mara B. de Almeida, Gustavo M. Platt, Francisco D. Moura Neto Anlise do Desempenho de Mtodos Espectrais na Separao de Grupos de Pontos 617

ndice Remissivo

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XIV Encontro de modelagem Computacional II Encontro de Cincia e Tecnologia de Materiais Instituto Politcnico (IPRJ), Campus Regional da UERJ, Nova Friburgo/RJ, Brasil. 22-24 nov. 2011. Associao Brasileira de Engenharia e Cincias Mecnicas ABCM

APLICAO DE FERRAMENTA DE INSPEO POR ULTRASSOM PARA EQUIPAMENTO DE REPARO DE DUTOS Vitor Joachim Cortines [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Rodrigo Albani Queiroz [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Ney Robson Ferreira Rohem [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Eduardo Martins Sampaio [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Resumo. Este trabalho mostra o desenvolvimento de uma ferramenta de inspeo por ultrassom capaz de inspecionar a regio a ser reparada pelo Equipamento de Reparo de Dutos (ERDut). Essa ferramenta complemento de um sistema inovador de reparo em tubulaes de transporte desenvolvido pelo Laboratrio de Adeso e Aderncia em parceria com a Petrobrs/Transpetro, que permite que reparos sejam feitos com o duto em operao. A ferramenta de inspeo por ultrassom permitir uma avaliao precisa da rea de ancoragem na tubulao onde ser posicionado o Mecanismo de Reparo (MR), possibilitando a realizao do reparo com maior confiabilidade. A ferramenta permite tambm o melhor posicionamento do reparo, sendo capaz de detectar o ponto mais frgil da rea a ser reparada.

Palavras-chave: Ensaios No Destrutivos, Ultrassom, Reparo, Dutos de Transporte


ESTUDO PARA SELEO DOS MATERIAIS PARA O MECANISMO DE REPARO Rodrigo Albani Queiroz [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, Instituto Politcnico/ UERJ, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Vitor Joachim Cortines [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, Instituto Politcnico/ UERJ, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Ney Robson Ferreira Rohem [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, Instituto Politcnico/ UERJ, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Eduardo Martins Sampaio [email protected] Laboratrio de Adeso e Aderncia, Instituto Politcnico/ UERJ, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil

Resumo: Foi desenvolvido um sistema inovador de reparo capaz de reparar tubulaes de ao operando com vazamentos em conjunto com o CENPES/PETROBRAS. O mecanismo de reparo (MR) aplicado em danos transpassante mesmo que estes possuam vazamento de fluido durante o processo de reparo. A vedao realizada por interferncia de metal-metal. Neste trabalho, analisamos o comportamento e as tenses envolvidas durante o processo de cravao do MR com o objetivo de encontrar os materiais mais propcios funo de cada componente. Testes hidrostticos e de resistncia foram realizados. O MR est atualmente creditado pelo CENPES/PETROBRAS para operar em presses de at 180 bar, com dano passante de at 10 mm e com espessura mnima de parede da tubulao de at 4 mm. Palavras-chaves: Tubulaes Manuteno e reparos; Oleodutos Manuteno e reparos; Hidrosttico Testes; Resistncia de materiais; Ao-carbono; Pipeline pigging.


Characterization and classification of the first meteorite fall in Varre-Sai town, southeast Brazil, using X-ray microfluorescence techniqueHaimon D.L. Alves [email protected] Programa de Engenharia Nuclear, COPPE/UFRJ, Cidade Universitria, Rio de Janeiro, RJ, Brazil Joaquim Teixeira de Assis [email protected] Instituto Politcnico, UERJ, Rua Alberto Rangel, s/n, Nova Friburgo, RJ, Brazil Claudio Valeriano [email protected] Departamento de Geologia, UERJ, Rua So Francisco Xavier, 524, Rio de Janeiro, RJ, Brazil Caio Turbay - [email protected] Departamento de Geologia, UFES, Alto Universitrio, s/n, Alegre, Esprito Santo, Brazil

Abstract. On

the night of June 19th, 2010, a meteorite fell nearby the town of Varre-Sai, Rio de Janeiro state, southeast Brazil. A small part of it was found and taken for analysis. A meteorite analysis can give researchers a better understanding of the origins of the Universe. However, some of the most traditionalist methods of characterization and classification of meteorites are destructive. In this paper we present the results of a chemical analysis and classification of this particular meteorite using X-ray microfluorescence (XRF), a nondestructive technique that allows for a quick and easy elemental analysis within the range of micrometers. Both sides of the meteorite were measured, 35 points in total, using Artax, a state of the art XRF system developed by Bruker, at 50 kV tension and 700 A current. Quantitative analysis using Direct Comparison of Counting Rates (DCCR) method showed concentrations of iron and nickel together of roughly 7.86%. We found that it is possible to distinguish this meteorite from most of the categories as an ordinary L-type chondrite but a more thorough analysis might be necessary so as to obtain a more detailed classification.

Keywords: meteorite, microfluorescence, non-destructive technique, chondrite


REVESTIMENTO COM FOSFATO DE CLCIO EM TITNIO POROSO E DENSO TRATADO SUPERFICIALMENTE COM ONDAS ULTRASSNICAS Jessica Verly [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Tamires Silva Fernandes [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Roseli Marins Balestra [email protected] Instituto Nacional de Tecnologia, INT, 20081-312 - Rio de Janeiro, RJ, Brasil Alexandre Antunes Ribeiro [email protected] Instituto Nacional de Tecnologia, INT, 20081-312 - Rio de Janeiro, RJ, Brasil Luis Carlos Pereira [email protected] Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Engenharia Metalrgica e de Materiais/COPPE, 21941-972 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Marize Varella de Oliveira [email protected] Instituto Nacional de Tecnologia, INT, 20081-312 - Rio de Janeiro, RJ, Brasil Mnica Calixto de Andrade [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil

Resumo. Amplia-se cada vez mais a necessidade de realizar implantes no corpo humano, a fim de substituir ou reparar rgo cujas funes foram perdidas ou danificadas. Dessa forma, a busca por materiais que possam satisfatoriamente substituir os rgos sem provocar rejeio do organismo e que promova uma osseointegrao constante. Neste trabalho procurou-se revestir o titnio, tanto o poroso quanto o denso, com uma biocermica (no caso, o fosfato de clcio) pelo processo biomimtico. As peas porosas foram produzidas pelo processo de metalurgia do p e as peas densas foram compradas. Elas sofreram um ataque qumico com NaOH 5M por 2 horas em ultrassom, seguido do tratamento trmico por 2 horas na estufa a 200C. Para fins de comparao, algumas peas densas foram tratadas termicamente a 600C. Aps o tratamento trmico, as amostras foram imersas em uma soluo simplificada de ons clcio e fosfato, e foram levadas ao banho termosttico a 37C, onde permaneceram por 10 dias, tendo sua soluo trocada apenas uma vez, no stimo dia. As amostras foram caracterizadas com microscopia eletrnica de varredura (MEV), com energia dispersiva de raios X (EDS) e difrao de raios X com fonte de luz sncroton. Palavras-chave: Titnio poroso, fosfato de clcio, tratamento superficial com ondas ultrassnicas e revestimento biomimtico. 1. INTRODUO

A maior expectativa de vida requer o desenvolvimento de biomateriais que destina a melhor qualidade de vida do novo perfil da sociedade. A populao do Brasil est envelhecendo, os dados do IBGE [IBGE, 2011] mostram que o nmero de idosos no Brasil passou de 6,4 milhes para 9,7 milhes entre 1999 e 2009, o que aumenta a necessidade de restaurar ou


substituir tecidos. Somado aos idosos, existe um grande nmero de pessoas que sofreram traumas, patologias e fraturas, precisando de materiais biocompatveis e com propriedades mecnicas satisfatrias a solicitao requerida [Andrade, 2006]. Os implantes so vantajosos pela disponibilidade e pela possibilidade de desenvolver um produto que, alm de substituir, aperfeioa a funo a ser realizada [Silva, 2001]. O titnio, por si s, no rejeitado pelo organismo, porm provoca a formao de uma camada fibrosa (material bioinerte) ao seu redor, que pode dificultar a osteointegrao. No material bioinerte, a unio com o tecido sseo mecnica e no qumica, o que acaba exigindo um longo perodo para a osseointegrao, podendo levar movimentao da interface ossoimplante e provocar o insucesso do implante [Xue, 2009]. J um material bioativo, como o fosfato de clcio, faz com que ocorra uma interao entre o implante e o tecido sseo, interferindo diretamente na osteognese. A parte mineral do tecido sseo se liga ao implante promovendo a osteoconduo devido interao qumica do implante com o tecido sseo [Bath, 2002; Santos, 2002]. Dessa forma, a cincia de novos materiais prope-se o revestimento do titnio e suas ligas com cermicas bioativas, que induz a biomineralizao do fosfato de clcio atravs da interao com o plasma sanguneo [Andrade, 2006], ligando o implante ao tecido sseo, acelerando a osteointegrao, diminuindo o tempo de covalescncia e garantindo o sucesso do implante. O titnio e suas ligas apresentam boa resistncia corroso (devido camada passivadora de dixido de titnio), apresenta baixa densidade e suporta as grandes solicitaes mecnicas do corpo humano. Dentre os vrios mtodos de revestimento, o processo biomimtico destaca-se para o recobrimento de implantes com fosfatos de clcio por imitar o processo de mineralizao ssea, de acordo com Habibovic e colaboradores [Habibovic, 2004]. Os materiais considerados bioinertes ou biotolerveis, como o titnio, antes de serem submetidos ao processo de revestimento biomimtico, devem sofrer um pr-tratamento qumico para ativar a nucleao e o crescimento de fosfato de clcio na superfcie do substrato [Kokubo, 2008]. Na literatura este tratamento qumico realizado em condies hidrotrmicas e neste trabalho foi realizado com ondas ultrassnicas, para acelerar a reao do hidrxido de sdio com o dixido de titnio da superfcie do metal em condies mais simples, sem presso e com menor custo. A soluo para a nucleao e crescimento de fosfato de clcio foi simplificada e o substrato de titnio poroso foi utilizado devido ao mdulo de elasticidade similar ao do osso. 2. MATERIAIS E MTODOS

Para o experimento, foram utilizadas peas de seo circular de titnio poroso e peas de seo quadrada de titnio denso. As amostras de titnio poroso foram preparadas pelo processo de metalurgia do p. Os componentes utilizados para o processamento do implante poroso foram: p de titnio puro grau 2 com granulometria de cerca de 80 m, aditivo orgnico, uria na faixa granulomtrica de 250 a 350 m e como solvente, ter de petrleo. Primeiro foi realizada a compactao uniaxial dos componentes, utilizando-se uma matriz cilndrica medindo 3 mm x 6 mm com presso de 500 Kgf. Em seguida, as amostras sofreram compactao isosttica a frio com presso de 200 MPa. As peas foram sinterizadas em forno a vcuo. Previamente sinterizao, foi realizada a remoo da uria em estufa por duas horas com temperatura entre l50C a 200C.


Todos os substratos foram colocados em 50 ml de gua destilada, permanecendo durante dez minutos com ondas ultrassnicas, depois o mesmo procedimento com acetona e novamente com gua. Para a realizao do ataque qumico, as peas foram imersas em soluo de hidrxido de sdio 5M durante duas horas com aplicao de ondas ultrassnicas. O tratamento trmico foi realizado durante duas horas a 200C e a 600C. Aps o tratamento trmico, as peas foram colocadas em potes com 11 ml de soluo simplificada de ons clcio e fosfato, e foram levadas ao banho termosttico a 37C. O tempo de nucleao foi de 10 dias e a soluo foi trocada no stimo dia. Essa soluo simplificada de ons clcio e fsforo contm 2,5 mM de Ca2+ e 1 mM de (HPO4)2-. As amostras foram analisadas com microscopia eletrnica de varredura (MEV), energia dispersiva de raios X (EDS) e difrao de raios X com ngulo rasante e energia maior, no laboratrio nacional de Luz Sncroton (LNLS). 3. RESULTADOS E DISCUSSES

A Figura 1 mostra a diferena da microestrutura do titnio denso com o poroso. O que pode acarretar uma grande diferena na osteointegrao dos implantes, j que a textura fundamental para a resposta biolgica. Mesmo no titnio poroso necessrio o tratamento qumico e trmico para ativar a superfcie para a formao de fosfato de clcio na superfcie. Neste trabalho foi realizado o tratamento qumico nas superfcies das amostras de titnio denso e poroso com hidrxido de sdio durante duas horas utilizando ondas ultrassnicas. Este procedimento simplificou a etapa de tratamento da superfcie, j que na literatura utilizam-se condies hidrotrmicas com temperaturas elevadas, na faixa de 130C [Kokubo, 2008; Andrade, 1999]. A Figura 2 mostra a superfcie que foi tratada onde formou pequenos poros, sendo os stios nucleadores da precipitao heterognea. A diferena da textura da superfcie tratada e no tratada significativa. Pode-se constatar que o uso de sonoqumica para o tratamento superficial eficaz. A Figura 3 mostra a fotomicrografia da pea de titnio denso revestido por dez dias em soluo simplificada de ons clcio e fsforo (a) e o espectro da energia dispersiva de raios X para a mesma imagem e o mapeamento em relao ao titnio, clcio e fsforo (b). Podemos observar as pequenas intensidades dos picos relativos ao clcio e ao fsforo, confirmando uma pequena espessura do fosfato de clcio formado. O mapeamento realizado na imagem pode observar que nos pontos mais claros existe maior quantidade de fosfato de clcio formado. Este mapeamento mais bem visualizado na Figura 4.


(a) (b) Figura 1 - Fotomicrografia do titnio denso (a) e do titnio poroso (b) com aumento de 100X.

(a) (b) Figura 2 Fotomicrografia do titnio denso e poroso tratados qumica e termicamente.

(a)

(b)

Figura 3 - Fotomicrografia da superfcie do titnio denso revestido por dez dias em soluo simplificada de clcio e fsforo com aumento de 5.500X (a) e o espectro de EDS da mesma imagem (b).


A Figura 4 mostra o mapeamento realizado por energia dispersiva de raios X de toda a imagem da fotomicrografia da amostra de titnio denso revestido por dez dias para os elementos clcio, fsforo e titnio. Podemos observar na Figura 4 (b) uma maior acentuao do tom verde, que indica o elemento clcio, na parte mais branca da fotomicrografia mostrada na Figura 4 (a), onde mostra a precipitao de fosfato de clcio. Embora a foto mostrada na Figura 4 (c) esteja confusa para ver o vermelho do elemento fsforo, pode-se observar a mesma tendncia do elemento clcio, e o inverso no caso do titnio, que est sendo representado pela cor azul, e a intensidade do azul sempre maior onde no existe uma espessura elevada do fosfato de clcio formado. Tambm podemos observar que apesar da pouca intensidade dos pontos verdes (Figura 4 b), eles encontram-se espalhados em toda a extenso da superfcie, sugerindo um revestimento pouco intenso, mas em toda a superfcie. A energia dispersiva de raios X pode detectar melhor o substrato, isto , o elemento titnio, caracterizado em azul na Figura 4 (d).

Figura 4 Mapeamento da imagem do titnio denso revestido por dez dias, com aumento de 5500X (a), dos elementos clcio, verde (b), fsforo, vermelho (c) e titnio, azul (d). A literatura relata que a deposio dos cristais de fosfato de clcio em superfcies porosas, no se restringe somente superfcie da pea, mas tambm se forma nos interstcios dos poros [Habibovic, 2004]. A Figura 5 mostra a fotomicrografia da pea de titnio poroso revestido por dez dias em soluo simplificada de ons clcio e fsforo com um aumento de 5.500X (a) e o espectro da energia dispersiva de raios X (EDS) para a mesma imagem (b). Podemos observar que a intensidade dos picos referentes aos elementos clcio e fsforo similar ao do substrato denso, j que a energia dispersiva de raios X para superfcies no polidas no uma anlise quantitativa, mas uma anlise somente qualitativa. A superfcie do material aps o revestimento apresenta diferente textura, de acordo com pontos de maior nucleao do fosfato de clcio, o que pode facilitar o processo de


osteointegrao do implante. Com o avano da tecnologia pode-se avaliar melhor o revestimento formado e sua correlao com a resposta do tecido sseo. A Figura 6 (a) mostra o difratograma de raios X da superfcie do titnio denso sem tratamento (a) e do titnio denso com tratamento qumico e trmico a 200C (b). Para a realizao das duas analises utilizou-se ngulo rasante de um, objetivando avaliar mais a composio da superfcie e menos do substrato, entretanto, o difratograma da superfcie de titnio denso tratado com 200C ficou muito similar ao do titnio sem tratamento, indicando que mesmo utilizando ngulo rasante, no foi possvel detectar a camada de titanato de sdio na superfcie do titnio mostrado na Figura 6 (b). Neste trabalho fizemos uma comparao do titnio tratado com hidrxido de sdio por duas horas com ondas ultrassnicas e termicamente a 200C e a 600C, Figura 6 (b) e (c). Pode-se observar que a maior temperatura do tratamento trmico possibilitou a formao de uma camada mais espessa de rutilo na superfcie do titnio, o que no acontece com a menor temperatura, que mantm o difratograma muito similar ao da superfcie do titnio puro, com o mesmo ngulo rasante da anlise. Isto pode facilitar a formao da precipitao heterognea quando a temperatura do tratamento for de 600C. Assim, torna-se interessante a deteco da fase rutilo na superfcie quando se utilizou maior temperatura do tratamento trmico, indicando uma espessura razovel do filme formado aps o tratamento da superfcie, o que no existe no titnio sem tratamento e no tratado a 200C. Isto indica que a temperatura maior pode ter favorecido a cristalizao desta fase na superfcie. A no deteco do titanato de sdio pode ser devida tambm ao carter amorfo deste composto nas temperaturas estudas. Kokubo e colaboradores relatou que o tratamento trmico estabiliza a camada de titanato de sdio amorfo contendo pequenas quantidades de titanato de sdio cristalino, Na2TI5O11 e rutilo, TiO2 [Kokubo, 2008].

Figura 5 - Fotomicrografia da superfcie do titnio poroso revestido por dez dias em soluo simplificada de clcio e fsforo com aumento de 5.500X (a) e o espectro de EDS da mesma imagem (b). Outro fator que precisa ser enfatizado a dificuldade de caracterizao do revestimento de fosfato de clcio, j que o filme formado apresenta geralmente pouca espessura, ou pouco cristalino, alm da grande rugosidade do titnio poroso, que dificulta a


deteco do filme, observando mais o substrato, tanto na energia dispersiva de raios X (EDS) como na difrao de raios X com ngulo rasante com maior energia (Luz sncroton). A Figura 7 mostra uma comparao da morfologia da superfcie do titnio revestido com fosfato de clcio pelo processo biomimtico com tratamento trmico a 200C (7a,b) com uma terceira amostra de titnio cujo tratamento trmico foi a 600C (7c). No observado uma diferena na morfologia do revestimento, tendo, porm, que ser realizado testes in vivo para garantir a eficcia do revestimento com tratamento trmico a 200C.

(a) (b) (c) Figura 6 Difratogramas de raios X das mostras de titnio denso sem tratamento (a), titnio denso tratado com hidrxido de sdio por duas horas em ondas ultrassnicas a 200C (b) e 600C. A Figura 8 mostra o difratograma de raios X do revestimento em titnio poroso atacado por 2 horas com onda ultrassnica em NaOH 5M e tratado termicamente a 200C. Pode-se constatar pela difrao de raios X que o pico mais intenso do titnio no apareceu no difratograma do titnio poroso, e outros picos diminuram de intensidade e inverteram de intensidade em relao ao difratograma padro. Isto pode indicar que a morfologia porosa da superfcie dificulta a caracterizao com difrao de raios X com este ngulo rasante, alm de indicar que o revestimento deve ser muito pouco espesso, j que no apareceu nenhum pico caracterstico de fosfato de clcio. Por outro lado, o mesmo procedimento experimental em substrato denso mostrou a formao de fosfato de clcio, embora pouco espessa, mas o suficiente para diminuir a intensidade dos picos do titnio e apresentando os picos de fosfato de clcio com pouca intensidade e mal definidos, o que pode indicar uma estrutura pouco cristalina. A Figura 9 faz uma comparao do revestimento obtido nas mesmas condies, entretanto o tratamento trmico do titnio variou de 200C para 600C. Os dois revestimentos mostraram a formao de fosfato de clcio nas duas condies, com variao da intensidade do titnio, e no caso do tratamento trmico a 600C, Figura 9 (b) pode-se observar mais picos, indicando a existncia de duas fases cristalinas no revestimento. A fase rutilo, tpico do pico prximo a 2 igual a 27 e a carbonatoapatita mal cristalizada representado pelo conjunto de picos em A (31,11; 31,51; 31,84; 32,05 e 32,76), picos prximos a 2 = 21, 34, 44, 48 e 52. Quando a temperatura foi de 200C, no foi observada a fase rutilo e o os picos relacionados carbonatoapatita no foram encontrados, somente os mais intensos da hidroxiapatita, embora as diferenas dos difratogramas com o titnio sejam poucas.


Figura 7 - Fotomicrografia, por meio de MEV, de duas amostras de titnio denso (a, b) atacado por 2 horas em NaOH 5M em ultrassom a 200C e 10 dias em soluo simplificada de clcio e fsforo, comparando com uma terceira amostra densa de titnio (c) atacado por 2 horas em NaOH 5M em ondas ultrassnicas a 600C e 10 dias em soluo simplificada de clcio e fsforo. Espectro de EDS da amostra de titnio atacado por 2 horas em NaOH 5M em ondas ultrassnicas a 600C e 10 dias em soluo simplificada de clcio e fsforo (d). Ambas com aumento de 5500X.

Figura 8 - Difratogramas de raios X das superfcies atacadas por 2 horas com onda ultrassnica em NaOH 5M e tratado termicamente a 200C. Revestimento de 10 dias no titnio (a) poroso e (b) denso.


Figura 9 - Difratograma de raios X da amostra densa atacada por 2 horas com onda ultrassnica em NaOH 5M durante duas horas. O revestimento foi realizado pelo processo biomimtico, a 37C durante 10 dias em soluo simplificada de ons clcio e fsforo no titnio (a) Tratado termicamente a 200C e (b) Tratamento trmico a 600C. 4. CONCLUSO

A utilizao da soluo simplificada de ons clcio e fosfato em substituio soluo similar corprea, que contm variados ons, promoveu a precipitao de fosfato de clcio, mostrando que alguns ons da soluo utilizada podem ser descartados por no influenciar no processo de revestimento com fosfato de clcio. A temperatura do tratamento trmico influencia na espessura, nas fases e na cristalizao dos compostos formados pelo processo biomimtico. As amostras de titnio poroso apresentaram pouca fase cristalina detectada pela difrao de raios X, mesmo com maior energia. Aknowledgements Os autores agradecem FAPERJ, CNPq ao LNLS e a UERJ. REFERNCIAS Andrade, A.L.; Domingues, R.Z. Cermicas Bioativas Estado da Arte. Qumica Nova, vol. 29, n. 1, p. 100-104, 2006. Andrade, M.C. Nucleao e Crescimento de HA em Titnio. 1999. 223p. Tese (Doutorado) Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 1999. Bath, S.V. Biomaterials. Narosa Publishing House. Nova Dheli, ndia. 2002. p.181. Habibovic, P.; Van Der Valk, C.M.; Van Blitterswijk, C.A.; De Groot, K. Influence of octacalcium phosphate coating on osteoinductive properties of biomaterials. J Mater Sci Mater Med. 2004;15(4):373-80. IBGE. Instituto Brasileiro de Geografia e Estatstica. Censo Demogrfico 2010. Disponvel em: www.ibge.gov.br. Acessado em: 12 de maro de 2011. Kokubo, T.; Miyaji, F.; Kim, H.M. Spontaneous formation of bonelike apatite layer on chemically treated titanium metals. J Am Ceram Soc. 1996;79(4):1127-9. In: MACHADO, A.C.P. Biocompatilibidade in vivo de implantes de titnio submetidos ao processo


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SURFACE TREATMENT WITH ULTRASONIC WAVE ON POROUS AND DENSE TITANIUM FOR BIOMIMETIC CALCIUM PHOSPHATE COATING DEPOSITION Abstract. Grows, more and more the need for implants in the human body to replace or repair a part whose functions were lost or damaged. Thus, the search for materials that can satisfactorily replace the organs of the body without provoking rejection and to promote osseointegration is a constant. In this study we attempted to coat the titanium, both porous and dense, with a bioceramic (in this case, calcium phosphate) by the biomimetic process. The porous parts were produced by the process of powder metallurgy and dense parts were purchased. They suffered a chemical attack with 5M NaOH for 2 hours in ultrasound, followed by heat treatment for 2 hours in oven at 200 C. For comparison, some dense parts were heat treated at 600 C was performed and different times of immersion in NaOH. After heat treatment, samples were immersed in a simplified solution of calcium and phosphate ions, and were taken to the water bath at 37 C, where they remained for 10 days, and its solution changed once in the seventh day. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM) with Energy Dispersive X-ray (EDS). Also attempted to determine the surface composition with X-ray Diffraction synchrotron light source and grazing incidence. Keywords: Biomaterials, implants, titanium, porous, calcium phosphate, biomimetic coating, ultrasound.


REVESTIMENTO DE TIO2 EM AO INOXIDVEL AISI 304 POR DEPOSIO ELETROFORTICA Jessica Verly [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Hugo da silva Cassiano [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Luidi Kaizer Janetti Perusso - [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Solange Francisco Nascimento [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Mnica De Andrade [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Resumo. No presente trabalho foram produzidos revestimentos de TiO2 em substrato de ao inoxidvel AISI 304 por deposio eletrofortica. O ao inoxidvel AISI 304, apesar de possuir uma alta resistncia corroso, est sujeito ao do meio, desde que haja uma situao propcia para a corroso. O objetivo desse trabalho aumentar a resistncia corroso do ao inoxidvel AISI 304 atravs de um revestimento com TiO2. Foram produzidos trs revestimentos diferentes onde o parmetro variado foi o tempo de deposio ao qual o substrato foi submetido. Os tempos de deposio utilizados foram 15 min, 30 min, e 60 min. A morfologia do revestimento foi avaliada por imagens tiradas por microscpio tico e a resistncia corroso do substrato revestido foi avaliada atravs de polarizao potenciodinmica. A anlise do microscpio tico mostrou que os tempos de deposio de 60 min e 30 min produziram revestimentos com boa morfologia (o melhor revestimento foi o com tempo de deposio de 60 min), porm, segundo a curva de polarizao potenciodinmica, nenhum dos revestimentos produzidos aumentou a resistncia corroso do substrato. Palavras-chave: Corroso; Revestimentos; Deposio eletrofortica; Eletroforese e Dixido de titnio. 1. INTRODUO

Todos os tipos de ligas metlicas esto sujeitos corroso, incluindo os aos inoxidveis. A busca por materiais com maiores resistncias corroso em meios agressivos de grande importncia. Existem inmeros tipos de aos inoxidveis que possuem diferentes composies, onde um aumento do teor no seu cromo ou a adio de elementos de liga como o nquel a essas composies pode provocar um aumento substancial na resistncia corroso. A resistncia corroso das ligas base de Fe-Cr est associada ao fenmeno da passivao, que a formao de um filme passivo (composto por xidos e hidrxidos) e a dissoluo deste no meio corrosivo. A diferena entre o comportamento de um ao


inoxidvel e um ao que no tem capacidade de formar filmes passivos notada quando traado o grfico velocidade de corroso x concentrao de oxidante no meio, (Carb, 2001). O comportamento dos aos inoxidveis diferente. A princpio, apresenta um comportamento semelhante ao de outros metais, mas quando atingido um determinado poder oxidante na soluo, produzida uma grande diminuio na taxa de corroso. O ao inoxidvel AISI 304 (inoxidvel austentico) possui grande aplicao em todos os campos da indstria por apresentar boa propriedade mecnica e boa resistncia corroso at a temperatura de 900C, entretanto, para ampliar a faixa de uso desta liga metlica, este trabalho prope revestir com dixido de titnio pelo processo de eletroforese (Gentil, 2003; Silva, 2010; Carb, 2001; Yoshida, 1973) para aumentar a resistncia corroso. O dixido de titnio (TiO2) encontrado na natureza em diferentes formas que possuem diferentes estruturas cristalinas, possuindo assim diferentes propriedades fsicas. Dessas formas, as trs mais comuns na natureza so: rutilo, anatsio e broquita. O rutilo possui estrutura tetragonal e a forma mais estvel, por isso, anatsio (tetragonal) e broquita (ortorrmbica) se rearranjam na forma de rutilo quando aquecidos a elevadas temperaturas 750C e 915C, respectivamente. Alm dessas trs formas principais, o TiO2 tambm pode ser encontrado em outras formas, que so TiO2 (B), que natural e duas outras formas que so sintetizadas a partir do rutilo, TiO2(II) e TiO2(H) (Winkler, 2003). A produo de um revestimento para determinado fim depende de fatores como o material a ser utilizado, o mtodo usado para a sua produo e o ps-tratamento que este vai receber. Atualmente h diversos mtodos para a produo de revestimentos, dentre os quais deve ser escolhido o que melhor atender aos requisitos requeridos de cada revestimento (Branco, 2004). O mtodo para produo de revestimento mais utilizado o plasma-spray, que projeta materiais, a altas temperaturas e velocidades, em superfcies de substratos, onde eles se solidificam e formam um depsito. Outro mtodo que se destaca na produo de revestimentos o dip-coating, um mtodo simples e muito utilizado, onde o substrato a ser revestido imerso de forma vertical na disperso. necessrio tratamento trmico aps o dip-coating a fim de aumentar a adeso do revestimento (Ribeiro, 1998). Tambm so utilizados outros mtodos para obteno de revestimento como a presso isosttica a quente, procedimento no qual a temperatura do tratamento trmico feito no substrato revestido baixa, comparada com outros mtodos como a eletrocristalizao em eletrlitos aquosos e o sol-gel (Moraes, 1999). Por fim se destacam os processos eletroqumicos, onde ocorre a deposio de material a partir de solues aquosas que contm ons do material a ser depositada ou por meio da ao de um campo eltrico em uma disperso, a deposio eletrofortica. A deposio eletrofortica um mtodo de obteno de revestimento no qual as partculas de uma suspenso migram para um substrato metlico atravs da ao de um campo eltrico aplicado (Van Der Biest, 1999; Boccaccini, 2010). A deposio eletrofortica uma tcnica eletroqumica na qual atravs de um campo eltrico aplicado em uma disperso (partculas de algum material dispersas em algum um fluido) promovida a movimentao das partculas dessa disperso em uma determinada direo que definida pela carga possuda pela partcula (Van Der Biest , 1999 ) . A deposio eletrofortica essencialmente um processo composto por duas etapas. Na primeira etapa, as partculas suspensas em um lquido so foradas a se moverem na direo de um eletrodo devido aplicao de um campo eltrico na disperso (processo de deposio eletrofortica). Na segunda etapa, as partculas se acumulam sobre o eletrodo (substrato a ser


revestido) formando assim um depsito compacto sobre o substrato. Deve ser considerado que o processo produz apenas a compactao do p e, sendo assim, a deposio eletrofortica deve ser seguida de sinterizao, a fim de promover a adeso do material depositado ao substrato. As partculas da suspenso vo se mover em resposta ao campo eltrico apenas se estiverem carregadas. Por esse motivo, comumente adicionado cido suspenso, j que a adio de cido suspenso proporciona o carregamento das partculas (Van Der Biest, 1999 ). O interesse na deposio eletrofortica no apenas pela alta versatilidade que este processo possui com inmeros e diferentes tipos de materiais, mas tambm pelo seu custo efetivo que basicamente requer um equipamento e uma estrutura simples. 2. MATERIAIS E MTODOS

O substrato usado no experimento foi o ao AISI 304. Os corpos-de-prova usados foram circulares, com 10,0 mm de dimetro e 2,0 mm de espessura. Aps serem cortados, os corpos-de-prova foram lixados (at a lixa 600) e em seguida foram banhados em uma soluo de HNO3 com gua destilada (25 ml HNO3 + 100 ml H2O) por um perodo de 15 minutos, com a finalidade de remover impurezas contidas na superfcie do ao. Os corpos-de-prova foram submetidos a um tratamento superficial, com finalidade de aumentar a rugosidade superficial do ao, aumentando assim a adeso do revestimento. Esse tratamento superficial consistiu em um banho ultrassnico em NaOH 5M por um perodo de 2 horas, seguido de aquecimento em forno at a temperatura de 600C. A temperatura inicial aquecimento foi de 300C e a taxa de aquecimento usada foi de 100C/hora, quando a temperatura atingiu o valor de 600C, o forno permaneceu ligado por um perodo de 1 hora antes de ser desligado. A busca por uma disperso que pudesse ser usada na deposio eletrofortica de TiO 2 promoveu a realizao de vrios testes preliminares afim de descobrir qual disperso seria usada. A varivel utilizada para produo das diversas disperses a serem testadas foi a quantidade de TiO2 e de cido utilizada. A disperso de dixido de titnio, TiO2, foi feita base de etanol absoluto. Alm disso, foi adicionado cido, HCl 1M, a fim de promover o carregamento das partculas de TiO2, podendo essas, assim, ser influenciadas pelo campo eltrico a ser criado. Para fim de comparao, foram feitas tambm deposies em suspenses sem adio de cido. Segue na tabela 4 a composio da disperso usada para fazer as deposies. Disperso Etanol TiO2 HCl 1M 100 ml 1g 0,4 ml

Tabela 1 - Composio da disperso utilizada no processo de deposio eletrofortica. O revestimento foi obtido utilizando-se uma aparelhagem que est esquematicamente representada na figura 1. A clula eletrofortica composta de um anodo e um catodo. Foi utilizado como anodo um fio de platina em forma de espiral e como catodo o substrato a ser revestido. A imerso do substrato na clula eletrofortica foi feita com o auxilio de um suporte feito, de Teflon e metal, que foi fabricado na oficina mecnica do IPRJ. A distncia entre os eletrodos foi fixada em 10 mm. Foi utilizada uma fonte de tenso cuja escala varia de


2,5 V a 15 V. Os dois eletrodos foram imersos na disperso de TiO2 em etanol para que ocorresse a deposio. O cido, HCl 1M, atribuiu carga positiva s partculas de TiO2, sendo assim, quando criado o campo eltrico, as partculas de TiO2 migraram para o catodo (substrato). Aps a deposio o substrato revestido foi sintetizado (a 600C, a uma taxa de 100C/hora) a fim de aumentar a adeso do revestimento ao substrato (Mudali, 2007).

Figura 1 - Esquema da aparelhagem utilizada no processo de deposio eletrofortica. As deposies foram realizadas a uma tenso constante de 15V sendo o tempo a varivel a ser estudada. Os tempos usados para a produo do revestimento foram de 15 min, 30 min e 60 min. Os corpos-de-prova revestidos foram observados em microscpio tico e posteriormente caracterizados por curva de polarizao potenciodinmica. 3. RESULTADO E DISCUSSO

Sabe-se que a obteno de uma disperso estvel essencial para a realizao da deposio eletrofortica e a descoberta de uma disperso ideal foi feita atravs da realizao de inmeros testes preliminares, j que no foram encontrados na reviso bibliogrfica trabalhos sobre a deposio de TiO2 utilizando uma disperso base de etanol. A disperso base de etanol foi preferida em relao a base de gua para evitar a formao bolhas e perda de estabilidade da suspenso (Van Der Biest, 1999). A obteno da disperso foi feita em banho de ultrassom, que um mtodo utilizado na produo de disperses comum na fabricao de vrios produtos, como tintas e xampu. gerada no banho ultrassnico uma alta fora de cisalhamento que promove a quebra das partculas aglomeradas, transformando-as em partculas individuais dispersas (Tecnologia de ultrassom aumenta a eficincia na produo de emulses e disperses, 2010). A mistura de etanol absoluto e dixido de titnio foram expostos durante duas horas em ondas ultrassnicas a fim de formar uma disperso estvel, e logo em seguida utilizada. Na composio das disperses que foram feitas, foi variada a quantidade de TiO2 e de cido a fim de descobrir qual disperso produziria o melhor revestimento. apresentado na tabela 2 um resumo dos testes feitos com as diferentes disperses. O tempo de deposio foi fixado em 60 min. A partir dos testes preliminares realizados, foi considerada como disperso ideal para ser utilizada a disperso N 11. Com a finalidade de comprovar a importncia da presena de cido na disperso, como visto na reviso bibliogrfica. O processo de deposio


eletrofortica tambm foi realizado com uma disperso sem cido em sua composio. O resultado obtido foi que no houve deposio de TiO2 no substrato, o que comprova a importncia do cido na disperso. Como apresentado anteriormente, o cido carrega as partculas de TiO2 presentes na disperso, possibilitando, assim, s partculas serem influenciadas pelo campo eltrico a ser criado. Alm disso, com a adio do cido clordrico disperso, visivelmente diminui a viscosidade, o que um fato desejado, j que, a mobilidade eletrofortica inversamente proporcional viscosidade da disperso (Van Der Biest, 1999; Moraes, 1999).N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Concentrao de TiO2 (%) 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 1 1 1 1 Volume HCl 1 M (%) 2 6 4 5 0,2 0,3 0,4 1,2 3,5 1,5 0,4 0 Voltagem aplicada 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 Tempo de Deposio (min) 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 Observaes No houve deposio No houve deposio No houve deposio No houve deposio No houve deposio No houve deposio Depsito em alguns pontos No houve deposio No houve deposio Depsito em alguns pontos Depsito aparente e homogneo No houve deposio

Tabela 2 - Disperses testadas para o procedimento de deposio eletrofortica. Aps ser determinada a disperso a ser utilizada foram feitas as deposies nos substratos de AISI 304. As deposies foram realizadas diferena de potencial constante de 15 V durante os tempos de 15 min, 30 min e 60 min. Aps as deposies, as peas foram sintetizadas temperatura de 600 C. Todas as condies de deposio usadas produziram depsito aparente e visvel a olho nu no substrato. So apresentadas na tabela 3 as observaes feitas sobre os substratos depositados. Tempo de deposio 15 30 60 Voltagem aplicada (V) 15 15 15 Observaes feitas por macroscpio Depsito heterogneo Depsito homogneo Depsito homogneo

Tabela 3 - Condies utilizadas para a realizao da deposio eletrofortica. Na anlise das fotos de microscopia tica mostradas nas Figuras 2, 3 e 4 foi observado que com o aumento de tempo de deposio houve um aumento na espessura e na homogeneidade do depsito, o que influencia bastante nas propriedades do revestimento. Alm disso, foi observado que os revestimentos feitos nos tempos de 30 min e 60 min apresentaram micro-trincas em suas superfcies. Um fator que pode ter contribudo para a apario de trincas a rugosidade da superfcie, que foi provocada pelo tratamento superficial


em NaOH. Essa teoria amparada pela anlise das fotos de microscpio tiradas de um revestimento feito em um substrato que no teve sua superfcie tratada, nas quais a superfcie do revestimento no possui trincas. No foram observadas trincas no revestimento (substrato com superfcie tratada) feito no tempo de 15 min, o que pode ter ocorrido devido falta de homogeneidade do revestimento. So mostradas na figura 5 as imagens do revestimento feito em substrato no-tratado superficialmente.

Figura 2 - Microscopia tica do revestimento produzido no tempo de 15 min. (a) 40x, (b) 100x, (c) 400x, (d) 1000x.

Figura 3 - Microscopia tica do revestimento produzido no tempo de 30 min. (a) 40x, (b) 100x, (c) 400x, (d) 1000x.


Figura 4 - Microscopia tica do revestimento produzido no tempo de 60 min. (a) 40x, (b) 100x, (c) 400x, (d) 1000x

Figura 5 - Microscopia tica do revestimento em substrato que no teve sua superfcie tratada produzido no tempo de 15 min. (a) 40x, (b) 100x, (c) 400x, (d) 1000x.


A diferena de potencial para deposio eletrofortica utilizada neste trabalho, 15 V, considerada baixa comparada s diferenas de potencial que so normalmente utilizadas na deposio eletrofortica (25 V a 100 V). Essa baixa diferena de potencial utilizada pode ter grande influencia na morfologia do revestimento, principalmente na sua espessura, j que a massa de material depositado proporcional DDP. A intensidade da DDP aplicada tambm tem grande influencia na adeso do revestimento ao substrato (Moraes, 1999). A avaliao da resistncia corroso dos substratos revestidos e no revestidos foi feita por de curva de polarizao potenciodinmica. A curva de polarizao potenciodinmica foi feita em soluo de NaCl em gua (3,5% em massa), em uma faixa de potencial que varia de -300 mV (abaixo do potencial de corroso) a 1600 mV (acima do potencial de referncia) a uma taxa de 1mv.s-1. So mostradas na figura 6 as curvas obtidas neste ensaio.

Figura 6 Curvas de polarizao potenciodinmica do ao, do ao revestido por 15, 30 e 60 min em soluo de cloreto de sdio, 3,5% (p/p). Na anlise das curvas nota-se que a densidade de corrente foi maior nos substratos revestidos que no substrato no revestido, o que indica que o revestimento de TiO2 no aumentou a resistncia corroso do substrato. A baixa resistncia corroso do substrato revestido, comparado ao substrato norevestido, pode ser atribuda formao de uma interface metal/cermica instvel durante a sinterizao do revestimento produzido a uma baixa diferena de potencial. Essa teoria embasada na fraca adeso existente entre o substrato e o revestimento, que pode ser comprovada pelo descolamento dos revestimentos aps a imerso na soluo de NaCl 3,5%. Sabe-se que quanto maior a ligao entre o revestimento e o substrato, maior a resistncia corroso (Mudali, 2007; Magnani, 2006). Por outro lado, o maior tempo de eletroforese produziu um revestimento mais estvel, mostrando menor corrente e potencial de corroso em relao aos outros revestimentos (Figura 6), o que pode ser atribudo a maior homogeneidade do revestimento, maior parte de cobertura do substrato e maior espessura.


4.

CONCLUSO

Pode-se concluir que o revestimento produzido, apesar de no satisfazer motivao inicial de aumentar a resistncia corroso do substrato, visto com um ponto de partida para experimentos desse tipo, pois este pode possuir tambm outras aplicaes. Dentre os revestimentos produzidos, o que apresentou maior homogeneidade, possuindo assim uma melhor morfologia, foi o produzido no tempo de 60 min. O revestimento produzido no tempo de 30 min tambm apresentou boa morfologia e boa homogeneidade, o que no aconteceu com o revestimento produzido no tempo de 15 min. Aps vrios testes realizados a fim de encontrar a melhor composio da disperso, concluiu-se que a composio com 100 ml de etanol absoluto, um grama de dixido de titnio e 0,4 ml de HCl 1M durante duas horas de aplicao de ondas ultrassnicas mostrou-se mais estvel. Foi constatado a importncia do uso de ondas ultrassnicas para diminuir os tamanhos das partculas de dixido de titnio e produzir uma disperso estvel, como tambm a adio de cido clordrico (HCl 1M) na disperso, j que o cido carrega as partculas da disperso, possibilitando a influencia do campo eltrico, alm de promover uma visvel diminuio na viscosidade, o que aumenta a mobilidade eletrofortica. A partir de curvas de polarizaes potenciodinmicas foi possvel descobrir que a resistncia corroso do substrato revestido menor que a resistncia corroso do substrato sem revestimento, o que inviabiliza a utilizao do revestimento de TiO2 para de aumentar a resistncia corroso do ao AISI 304. Aknowledgements Os autores agradecem Faperj, Cnpq e a UERJ. REFERNCIAS Boccaccini, A. R. et al. Electrophoretic deposition of biomaterials. Journal of the Royal Society, p. 1-33, 2010. Branco, J.R.T. et al. Solid particle erosion of plasma sprayed ceramic coatings. Materials Researc, v.7, n.1, p.147-153, 2004 Carb, Hctor Mario. Ao Inoxidvel, aplicaes e especificaes. Acesita: Ncleo Inox, 2001, 48p. Gentil, Vicente. Corroso. 4 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003, 341p. Magnani, M. et al. Resistncia corroso e velocidade de desgaste de revestimentos de wccocr aspergidos na liga de aa7050t7 em meio de NaCl 3,5 %. CBECIMat, Foz do Iguau, p.4759-4770, nov. 2006. Moraes, Sandra Valria Mendes de. Revestimento de nibio com hidroxiapatita por eletroforese. Rio de Janeiro, 1999, 89. Mudali, U. K.; Sridhar T. M.; Rajendran N. Electrophoretic deposition of TiO2 and TiO2+CeO2 coatings on type 304L stainless steel. Surface Engineering, v.23, n.4, p.267272, 2007. Ribeiro, Karina Millan. Revestimento de Titnio com hidroxiapatita por eletroforese. Rio de Janeiro, 1998, 55p Silva, Andr Luiz da Costa; MEI, Paulo Roberto. Aos e ligas especiais. 3. Ed. Blucher, 2010, 664p.


Tecnologia de ultrassom aumenta a eficincia na produo de emulses e disperses. EXPOLABOR. Disponvel em: http://www.expolabor.com.br/news/reoterm-ultrasson.html Acesso em: 04 abr. 2011. Van Der Biest, Omer O.; Vandeperre, LUC J. Electrophoretic deposition of materials. Annu. Rev. Mater. Sci. v.29, p. 327-352, 1999. Winkler, Jochen. Titanium Dioxide. Hannover: Vincentz, 2003, 69p. Yoshida, Amrico. Metais, ligas e tratamento trmico. So Paulo, Ed. Edies Fortaleza, 1973.

TIO2 COATINGS ON AISI 304 STAINLESS STEEL BY ELECTROPHORETIC DEPOSITION

Abstract. In this work, TiO2 coatings were produced on AISI 304 stainless steel substrates by electrophoretic deposition. The AISI 304 stainless steel, even though it has a good corrosion resistance, it might be injured by corrosion action, as long as it has a proper situation for this. The goal of this work is to increase the corrosion resistance of AISI 304 stainless steel through producing a TiO2 coating on it. Three different coatings were produced and the varied parameters to do these were the deposition time on the substrate. The deposition times used were 15 min, 30 min and 60 min. The coating morphologies were evaluated by optic microscopy images and the coating corrosion resistances were evaluated by potentiodynamic polarization. The optic microscopy analysis showed that the 60 min and 30 min deposition times produced good morphology coatings (the best coating was pr oduced at 60 min deposition time), but according to potentiodynamic polarization curves, none of the produced coatings improved the substrate corrosion resistance. Keywords: Coatings; corrosion resistant materials; TiO2; Electrophoretic deposition; Electrophoresis.


ANLISE DOS AOS AISI 420, AISI 304 E AISI H13 POR XRFJoaquim Teixeira de Assis [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Gabrielle Fernandes Matos [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Haimon Diniz Lopes Alves [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Vladimir I. Monin [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto Politcnico, 28630-050 Nova Friburgo, RJ, Brasil Marcelino Jos dos Anjos [email protected] Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Instituto de Fsica, 20550-900 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Resumo. Neste trabalho apresentado um estudo para a caracterizao de aos inoxidveis (304 e 420), e ferramentcio (H13) por XRF. A escolha do material adequado est diretamente relacionada qualidade de qualquer produto, independente do setor da indstria em que este est inserido. Tratando- se de aos, esta escolha adequada depende de que os aos estejam em conformidade com as especificaes do fabricante. Neste contexto este projeto tem como finalidade validar o processo de fluorescncia de raios X na caracterizao de aos por avaliar a variao composicional de cada uma das amostras dos aos AISI H13, AISI 420, AISI 304. Os resultados mostram a possibilidade de usar relaes comparativas entre elementos presentes nos materiais para a sua caracterizao. Keywords: Fluorescncia de raios X, Ao inoxidvel, Ao ferramentcio.


DETERMINAO, ATRAVS DE SIMULAO EM MONTE CARLO, DO SPREAD-OUT BRAGG PEAK (SOBP) PARA FEIXES DE PROTNS UTILIZADOS EM PRTON TERAPIA. Fabiana T. de A. Peixoto [email protected] Instituto Militar de Engenharia, Seo de Engenharia Nuclear, Praa Gen. Tibrcio, 80, 22290-270 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Wilson F. Rebello [email protected] Instituto Militar de Engenharia, Seo de Engenharia Nuclear, Praa Gen. Tibrcio, 80, 22290-270 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Edimilson M. Souza [email protected] Universidade Federal do Rio de Janeiro, PEN/COPPE/UFRJ, Cidade Universitria Ilha do Fundo, 21945-970 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Ademir X. Silva [email protected] Universidade Federal do Rio de Janeiro, PEN/COPPE/UFRJ, Cidade Universitria Ilha do Fundo, 21945-970 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Samanda C. A. Correa [email protected] Comisso Nacional de Energia Nuclear, CNEN/SEDE, Rua Gen. Severiano, 90, 22290-901 Rio de Janeiro, RJ, Brasil Lourival Brando [email protected] Departamento de Fsica Mdica, Beltro Consultoria Ltda, Rua Nelson N. Guimares, 791, Apto 102, 89203-060 Joinville, SC, Brasil

Resumo. A aplicao de feixe de prtons no tratamento do cncer vem sendo difundida no mundo ao longo dos ltimos anos. Ao interagirem com a matria, devido a sua elevada energia cintica, os prtons depositam pouca energia ao penetrarem o material e, no momento em que sua energia cintica mnima, a partcula absorvida, depositando a mxima energia em uma determinada profundidade, tendo-se nesse ponto o Pico de Bragg. A aquisio das curvas que relacionam a energia depositada pelo feixe de prtons em funo da profundidade, para diferentes espectros de energia desse feixe, permite a construo do Spread-Out Bragg Peak (SOBP), de grande interesse para o planejamento da terapia. O presente trabalho teve como objetivo determinar, atravs do MCNPX, as curvas de deposio de dose em um simulador de gua, para a incidncia de um feixe de prtons modulado em energia atravs de sua passagem por diferentes espessuras do modulador. Com essas curvas, pode-se determinar o SOBP. Os valores calculados foram comparados com medidas experimentais obtidas na literatura. Palavras-chave: Prton Terapia, MCNPX, Pico de Bragg, SOBP. 1. INTRODUO

A Radioterapia tem por objetivo combater as clulas cancergenas mantendo a exposio dos tecidos sadios dentro de limites estabelecidos. A utilizao do feixe de prtons na terapia contra cncer apresenta vantagens em comparao ao tratamento convencional com ftons e por isso vem crescendo o nmero de instituies que oferecem a prton terapia. Enquanto o


feixe de ftons apresenta sua deposio mxima de dose poucos centmetros aps penetrar na matria, decaindo gradualmente aps esse ponto, o de prtons apresenta deposio mxima da energia numa regio mais precisa. No ponto onde se verifica a mxima deposio de energia do feixe de prtons tem-se o pico de Bragg. A Figura 1 apresenta o comportamento de um feixe de ftons e de um feixe de prtons ao penetrarem na matria.

Figura 1 Comparativo das curvas de dose em profundidade de ftons e prtons (World Journal of Radiology, 2010)

O cncer um conjunto de clulas que possui um volume a ser tratado. O feixe de prtons passa por um processo de modulao antes de atingir o paciente. A modulao tem por objetivo gerar vrias curvas de deposio que, somadas, aumentam a largura da regio de mxima deposio de energia, viabilizando a aplicao da radiao em toda a extenso do volume do tumor e no em apenas um ponto local. Essa regio da curva denominada Spread-Out Bragg Peak (SOBP) apresentada na Figura 2 (Delaney e Kooy, 2008)


Figura 2 Comparativo das curvas de dose em profundidade de ftons e SOBP (Delaney e Kooy, 2008)

O equipamento utilizado na prton terapia constitui-se basicamente de trs componentes: um acelerador de partculas com sistema seletor de energia, um sistema de transporte do feixe (beam transport system) e um sistema de tratamento (treatment delivery system). O acelerador de partculas o sistema que gera o feixe de prtons. O sistema de transporte do feixe, constitudo por uma srie de ms que orientam e focalizam o feixe, a conexo entre o acelerador e a sala de tratamento. O sistema de tratamento pode constituir diversos subsistemas, incluindo um ou todos os seguintes: gantry, beam nozzle, volume-tracking e beam-gating device, e sistema de posicionamento e imobilizao do paciente. O sistema beam nozzle o responsvel pela modulao do feixe, sendo o foco deste trabalho. O Monte Carlo N-Particle Extended (MCNPX) um cdigo nuclear utilizado para o clculo de transporte de radiao, baseado no mtodo de Monte Carlo. amplamente difundido na rea de simulao computacional com aplicao em diversas reas. O mtodo de Monte Carlo aplicado para reproduzir um processo estatstico que representa interao da radiao com a matria, no caso os tecidos humanos. O MCNPX permite acompanhar diversos tipos de radiaes, em geometrias complexas e utilizando bibliotecas de seo de choque praticamente contnuas. Est sendo desenvolvido, por este grupo, a nvel conceitual, um aplicador baseado no sistema beam nozzle para prton terapia. Para isso foi criado um modelo computacional no MCNPX do beam nozzle idealizado. Este estudo teve como objetivo determinar, usando este modelo no cdigo MCNPX (verso 2.5), as curvas de deposio de dose em um simulador de gua, considerando feixes de prtons de diferentes energias. Com estas curvas, pode-se determinar a regio de SOBP. Os valores calculados para as curvas de deposio de dose em simulador de gua foram comparadas com medidas experimentais obtidos da literatura. 2. METODOLOGIA


Iniciou-se a modelagem com o objetivo de verificar comportamento da interao dos prtons com a gua. Cada energia do feixe de prton gera uma curva de deposio com seu pico de Bragg localizado a uma profundidade especfica (ponto de dose absorvida mxima) e tambm seu projected range (distncia percorrida at que a dose absorvida seja nula). Na literatura (Guan, 2009) foram obtidas informaes referentes simulao do feixe de prtons incidindo em simulador de gua de 80 cm x 80 cm x 40 cm onde foram calculados valores de dose em profundidade. As curvas geradas nas simulaes realizadas neste trabalho foram comparadas aos dados experimentais obtidos por NIST (2011). Pode-se obter a regio do SOBP de duas formas: atravs do dynamic scanning ou do passive scattering. O primeiro consiste do feixe modulado atravs do controle do tempo de exposio, no segundo o feixe espalhado produzindo-se um feixe largo. Buscou-se na literatura estudos sobre prton terapia e simulao computacional do SOBP (Guan, 2009), (Chu et al, 1993), (Delaney e Kooy, 2008), (Roberts, 2007), (Shin et al, 2010), (Lu e Kooy, 2006), (Paganatti et al, 2004). A partir das informaes dos componentes, dos materiais e da geometria do beam nozzle, adotou-se o modelo apropriado para o passive beam scattering, adaptando-o para o aplicador em desenvolvimento. O MCNPX foi utilizado para simular a estrutura do nozzle e a interao dos prtons para passive beam scattering. Na Figura 3 apresentado o modelo do nozzle para passive beam scattering simulado no MCNPX.

Figura 3 Imagem gerada pelo Moritz da geometria do nozzle com corte longitudinal para visualizao dos componentes internos do aplicador.

Deu-se incio modelagem do nozzle no MCNPX. O feixe de prtons foi simulado interagindo com moduladores, de formatos cilndricos com dimenso do raio de 5 cm. O primeiro modulador composto de material com alto nmero atmico (Z) para ocorrncia do espalhamento e o segundo por material de baixo Z para modulao. Os materiais utilizados foram, respectivamente, chumbo e lucite. O nozzle possui colimadores ao longo da sua extenso, cuja composio ao, com dimenso do raio de abertura de 5 cm. O sistema encapsulado por uma camada de ao com espessura de 0.2 cm. Simulador de gua com dimenses 80 cm x 80 cm x 40 cm para medidas da dose em profundidade, conforme apresentado por Guan (2009).


Criado o modelo computacional, realizou-se a simulao do feixe de prtons em duas etapas: a primeira para obteno das curvas de deposio para diferentes valores de energia e clculo da posio do pico de Bragg e da posio do projected range; e a segunda para obteno da SOBP para a energia de 150 MeV. 2.1 Primeira etapa: Simulao do feixe de prtons sobre simulador de gua Para elaborar toda a geometria do beam nozzle foi necessrio, antes, simular o feixe de prtons para verificar a resposta do cdigo MCNPX. Nessa primeira etapa, simulou-se o feixe de prtons para diferentes valores de energia (100, 120, 140, 160, 180, 200, 225 e 250 MeV) calculando-se os valores de dose em profundidade para verificao da posio do pico de Bragg e do projected range para cada energia. Dividiu-se o simulador em clulas planas com dimenso de 80 cm x 80 cm x 0.1 cm para obter a dose absorvida ao longo do simulador. O valor utilizado para distncia fonte-superfcie (SSD) de 300 cm (ICRU, 2007). Essas energias e geometria esto de acordo com o simulado por Guan (2009). O MCNPX calculou a deposio de energia em cada plano de gua (MeV/g) atravs do comando Tally F6. Foram simuladas 105 histrias para manter as incertezas dos clculos abaixo de 5%. A Figura 4 apresenta a visualizao, gerada no Moritz, da geometria simulada para obteno das curvas de deposio.

Figura 4 Imagem da geometria visualizada no Moritz.

2.2 Segunda etapa: Simulao do feixe de prtons no nozzle Para gerao da regio de SOBP necessrio fazer com que o feixe interaja com um sistema de moduladores. Para isso, o sistema foi simulado adotando-se espessuras iguais para ambos os moduladores (0.10 cm, 0.15 cm, 0.20 cm, 0.25 cm, 0.30 cm, 0.35 cm, 0.40 cm, 0.45 cm e 0.50 cm). Cada espessura gera uma curva de deposio correspondente dose absorvida em profundidade. O somatrio das curvas moduladas tem como resultante a curva total de deposio, gerando a regio de plat caracterstico do SOBP. A energia aplicada foi de 150 MeV. Foram definidos planos para clculo da dose em profundidade com dimenses 80 cm x


80 cm x 0.1 cm at a profundidade de 16 cm, pois, para a energia aplicada de 150 MeV, o valor do projected range de 15,76 cm (NIST, 2011). O valor utilizado para SSD de 300 cm (ICRU, 2007). O MCNPX calculou a deposio de energia em cada plano de gua (MeV/g) atravs do comando Tally F6. Foram simuladas 105 histrias para cada espessura dos moduladores. 3. RESULTADOS

Os resultados referentes posio do pico de Bragg calculados por Guan (2009) e os calculados neste trabalho so apresentados na Tabela 1. Tabela 1 Resultados da posio do pico de Bragg Energia (MeV) Posio pico de Bragg calculado por Guan (2009) (cm) 7.40 10.3 13.6 17.2 21.1 25.4 31.2 37.3 Posio pico de Bragg calculado neste trabalho (cm) 7.40 10.3 13.6 17.2 21.1 25.4 31.2 37.3

100 120 140 160 180 200 225 250

Os resultados referentes posio do projected range calculados por Guan (2009), os valores experimentais por NIST (2011) e os calculados neste trabalho so apresentados na Tabela 2. Tabela 2 Resultados da posio do projected range Energia (MeV) Posio do Projected Range pelo MNCPX calculado por Guan (2009) (cm) 7.9 10.9 14.3 18.2 22.3 26.9 33.1 39.6 Posio do Projected Range medido por NIST (2011) (cm) 7.707 10.65 13.96 17.63 21.63 25.93 31.71 37.90 Posio do Projected Range pelo MCNPX calculado neste trabalho (cm) 7.8 10.8 14.2 17.9 22.1 26.6 32.6 39.0 Diferena Relativa Com Guan (2009) 1.26% 0.91% 0.69% 1.64% 0.89% 1.11% 1.51% 1.51% Com NIST (2011) 1.20% 1.40% 1.71% 1.53% 2.17% 2.58% 2.80% 2.90%

100 120 140 160 180 200 225 250


As curvas de deposio do feixe de prtons incidentes sobre a gua calculadas neste trabalho so apresentadas na Figura 5. As calculadas por Guan (2009) so apresentadas na Figura 6.

Figura 5 Resultado da dose absorvida calculado neste trabalho.

Figura 6 Resultado da dose absorvida obtido por Guan (2009).


Aps verificao da conformidade apresentada na simulao deste trabalho, calculou-se o somatrio das curvas modeladas para visualizao da regio do SOBP. Os resultados obtidos so apresentados na Figura 7.

Figura 7 Resultados das curvas obtidas pelas respectivas espessuras dos moduladores e a resultante curva de SOPB.

4.

CONCLUSES

Os valores calculados na simulao computacional deste trabalho referentes posio do pico de Bragg coincidiram com os valores calculados por Guan (2009), conforme apresentado na Tabela 1. A comparao visual das curvas de deposio apresentadas neste trabalho com as curvas calculadas por Guan (2009) satisfatria. Os valores simulados do projected range neste trabalho apresentaram diferenas menores que 3% em relao aos valores experimentais, conforme apresenta

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