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1 Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Produção de nanomateriais Relatório Projeto FEUP Como se produz uma multicamada? Projeto FEUP 2016/2017LCEEMG e MIEMM: Alexandre leite Sónia Simões Equipa : MGM_4 Supervisor: Sónia Simões Monitor: Tatiana Padrão Estudantes & Autores: Ana Catarina Costa [email protected] Pedro Teixeira up201603668@fe.up.pt António Alves up201603436@fe.up.pt Rafaela Silva up201603609@fe.up.pt Gonçalo Azevedo [email protected] Jorge Ungaro [email protected] Porto, 3 de Novembro de 2016

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Produção de nanomateriais

Relatório Projeto FEUP

Como se produz uma multicamada?

Projeto FEUP 2016/2017– LCEEMG e MIEMM:

Alexandre leite Sónia Simões

Equipa : MGM_4

Supervisor: Sónia Simões Monitor: Tatiana Padrão

Estudantes & Autores:

Ana Catarina Costa [email protected] Pedro Teixeira [email protected]

António Alves [email protected] Rafaela Silva [email protected]

Gonçalo Azevedo [email protected] Jorge Ungaro [email protected]

Porto, 3 de Novembro de 2016

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

Resumo

O presente relatório foi realizado no âmbito da unidade curricular projeto

FEUP 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;

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

Índice

Resumo 2

Palavras chave 2

Lista de figuras 4

1. Introdução 6

1.1 Cobre - Desde a extração à produção 5

1.1.1 Extração do cobre 6

1.1.2 Obtenção do cobre 6

1.2 O que é uma multicamada? 8

1.3 Tipos de Multicamadas 8

1.4 Métodos de Produção de Multicamadas 9

1.4.1 Deformação Plástica Severa 9

1.4.2 Pulverização Catódica 10

1.4.3 Eletrodeposição 10

1.5 Aplicações Industriais das Multicamadas 11

1.6 Propriedades das Multicamadas 11

2. Parte Experimental 12

2.1 Materiais 12

2.2 Processo de Fabrico 12

3. Conclusões 14

Referências Bibliográficas 15

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

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;

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

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]

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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]

1.1.2 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.

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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 SO42- 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]

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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 200000.

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).

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

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.

1.4.1 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]

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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]

1.4.3 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]

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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;

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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;

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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP

Fig.9- Passo (1)- Chapas de cobre

e aluminio após serem laminadas.

Fig.11- Espessura da chapa de

alumínio apos ser laminada.

Fig.13- Passo (7)- produção da

Multicamada.

Fig.10- Passo(2)- Chapa de

alumínio a ser lixada.

Fig.12- Espessura da chapa de

cobre apos ser laminada.

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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.

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Referências bibliográficas

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[3] Comissão europeia, O que são nanomateriais? consultado em:16/10/2016 Disponível em:

https://goo.gl/A7MvS2

[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:

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[5] consultado em:14/10/2016 Disponível em:

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[6] consultado em 14/10/2016 Disponível em: http://www.alfaconnection.pro.br/fisica/fisicoquimica/eletrolise/aplicacoes/

[7] Pavanati, Henrique Cezar, Cobre e as suas ligas consultado em : 12/10/2016 Disponível em:

http://slideplayer.com.br/slide/391201/

[8]Rojas, Carlos, Cobre e a sua obtenção consultado em: 14/10/2016 Disponível em: https://goo.gl/NKonwu

[9] Pereira, António Clareti, Dissertação de mestrado: Desenvolvimento de procedimento

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Consultado em: 15/10/2016 Disponível em:

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[10] troy w. barbee, jr , Atomic engineering with multilayers, consultado em: 8/10/2016

Disponível em: https://str.llnl.gov/str/Barbee.html

[11] consultado em: 12/10/2016 Disponível em:

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[12] consultado em: 18/10/2016 Disponível em: https://sites.google.com/a/catim.pt/metalopedia/_/rsrc/1468931391442/conformacao/lami

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[13] Oerlikon balzers, Pulverização catódica, consultado em: 18/10/2016 Disponível em: http://www.oerlikonbalzerscoating.com/bpt/por/01-products-services/03-coating-

technology/03-sputtering/indexW3DnavidW261.php

[14] Nanomateriais – Multicamadas de alumínio e cobre por ARB consultado em: 16/10/2016

Disponível em: https://paginas.fe.up.pt/~projfeup/submit_14_15/uploads/relat_EMM17.pdf