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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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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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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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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP
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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Produção de nanomateriais- como se produz uma multicamada? - Relatório Projeto FEUP
Referências bibliográficas
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[8]Rojas, Carlos, Cobre e a sua obtenção consultado em: 14/10/2016 Disponível em: https://goo.gl/NKonwu
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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-
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[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
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