C´ elula de press˜ ao

Nos experimentos realizados nesta disserta¸c˜ao foi utilizada uma c´elula de press˜ao do tipo bigorna com diamantes (DAC) de fabrica¸c˜ao industrial com limites de opera¸c˜ao no intervalo de press˜ao de 0-10 GPa. A moldura do DAC ´e feita de a¸co inoxid´avel e o com- partimento onde se coloca a amostra (amostra foi obtida da VETEC QU´IMICA FINA LTDA e possui as seguintes caracteristicas: Policristalina, transparente e tamanho de gr˜ao de proximadadente 1mm3_{), geralmente ´e feito de carboneto de tungstˆenio. A c´elula} tem aberturas ao longo da dire¸c˜ao axial, a fim de permitir medi¸c˜oes a serem realizadas na amostra. A Figura 11 mostra o esquema deste tipo de c´elula de press˜ao indicando os prin- cipais elementos que se precisa conhecer para entender os procedimentos experimentais. Este equipamento ´e constitu´ıdo basicamente, dos seguintes elementos:

1 - Um parafuso principal, que ´e respons´avel direto pelo controle da press˜ao durante o experimento. A regulagem da press˜ao deve ser feita muito cuidadosamente, pois ao contr´ario do que se possa pensar, a press˜ao n˜ao aumenta linearmente com o n´umero

de voltas do parafuso. Existe um processo de acomoda¸c˜ao das arruelas que faz com que apertos (ˆangulos de giro) iguais sobre o parafuso, resultem em press˜ao bastante diferentes. 2 - Uma alavanca com arruelas e mais alguns perif´ericos, que s˜ao respons´aveis pela transmiss˜ao da press˜ao aos diamantes.

3 e 4 - Diamantes (superior e inferior). Estes, por sua vez, constituem as pe¸cas de maior valor, e apesar de sua (conhecida) alta dureza, os diamantes podem sofrer danos irrepar´aveis com o manuseio incorreto do equipamento. Os diamantes s˜ao respons´aveis diretos (via fluido transmissor de press˜ao) pela aplica¸c˜ao da press˜ao sobre a amostra. Eles s˜ao desenhados de modo que a ´area de contato com a gaxeta seja a m´ınima poss´ıvel. Quanto menor for a ´area de contato, menor ´e a press˜ao execida sobre a gaxeta e, por conseguinte, maior ´e a press˜ao sobre a amostra. Os diamantes geralmente s˜ao seleciona- dos a partir do corte de pedras brilhantes, s˜ao polida na forma desejada (8 ou 16 arestas) e tamanho, dependendo das press˜oes que s˜ao obrigados a trabalhar em um dado experi- mento. Uma lista de v´arios diˆametros e respectivas press˜oes que podem ser obtidos, com os diamantes, ´e mostrado na tabela 10.

Tabela 10: Diˆametros do Diamante e as press˜oes nominais que podem ser alcan¸cadas [35]. Diˆametro do diamante µm Press˜ao alcan¸cada (GPa)

500 60

400 70

300 70-80

200 100

100 100-150

5 - A gaxeta ´e uma pe¸ca met´alica constitu´ıda de a¸co inoxid´avel, no interior da qual ficar´a a amostra e o l´ıquido transmissor de press˜ao durante o experimento. Esta pe¸ca ´e confeccionada de modo a ficar com dimens˜oes de (1, 0cm)x(1, 0cm)x(0, 1cm) com uma cavidade (onde ficar´a a amostra) de 200µm de diˆametro, feita por fus˜ao a laser (no nosso caso). No entanto os detritos originados da carboniza¸c˜ao do material, durante a fus˜ao, devem ser removidos por meio da aplica¸c˜ao de ultra-som. A gaxeta ´e posta entre os diamantes durante a montagem do experimento e sofre deforma¸c˜oes consider´aveis no decorrer do mesmo. Esta pe¸ca n˜ao pode ser reaproveitada para outro experimento, devendo ser substitu´ıda. A press˜ao entre a gaxeta e os diamantes impede a sa´ıda do fluido transmissor de press˜ao.

´e composto de uma mistura de metanol e etanol na propor¸c˜ao de 4:1; um outro fluido utilizado ´e o ´oleo mineral. Estas substˆanciais garantem a hidrostaticidade do fluido, e ambos foram utilizados neste trabalho.

7 - Rubi. Quando usado em uma DAC, o rubi ´e colocado juntamente com a amostra, na cˆamara de press˜ao, sendo a fluorescˆencia excitada por um laser ou qualquer fonte luminosa. Um detector ´optico recolhe o sinal e, em seguida, ´e mostrado como um gr´afico apresentando intensidade versus comprimento de onda. Uma t´ıpica configura¸c˜ao de um sistema com um correspondente gr´afico s˜ao mostrados nas figuras 12 e 13, respectivamente. A linha do rubi ´e bastante intensa, e sob a press˜ao hidrost´atica a o comprimento de onda varia linearmente [33]. O uso da varia¸c˜ao do comprimento de onda da fluorescˆencia do rubi como sensor para determinar a press˜ao foi originalmente desenvolvido por Forman, Piermarini, Barnett e Block [36]. Depois de ser revisto in´umeras vezes, a fluorescˆencia do rubi ´e o m´etodo que tem sido mais amplamente utilizado em todo o mundo.

Figura 12: Sistema de medidas de fluorescˆencia do Rubi 4900 4950 5000 5050 5100 5150 I n t e n si d a d e ( u . a . ) Frequêcia cm -1

Figura 13: Um dos espectros medido do Rubi

Na realiza¸c˜ao dos experimentos com press˜ao s˜ao necess´arios alguns cuidados especiais na prepara¸c˜ao da amostra. As amostras devem ter a espessura de 100µm. Um peda¸co da amostra, com ´area superficial em torno de 0, 02mm2_{, ´e separado para ser colocado} no interior da cavidade da gaxeta durante a montagem do experimento descrita anterior- mente. Estas dimens˜oes devem ser obedecidas para que durante o experimento de press˜ao a amostra n˜ao sofra a a¸c˜ao de componentes n˜ao hidrost´aticas de press˜ao, resultantes do contato da mesma com as paredes internas da cavidade (Figura 11, N◦_5).

Durante o processo de montagem do experimento os diamantes devem ser cuidadosa- mente alinhados e limpos (com o aux´ılio de pince, papel e acetona) para evitar obstru¸c˜ao

da luz do laser por part´ıculas microsc´opicas. Ap´os o processo de limpeza, a gaxeta ´e colocada sobre o diamante inferior; a amostra escolhida ´e cuidadosamente colocada no interior da cavidade e o l´ıquido transmissor de press˜ao ´e colocado na cavidade com a ajuda de uma seringa. Este trabalho deve ser feito com muito cuidado, pois o escoamento do l´ıquido transmissor de press˜ao ocorre muito rapidamente, e a imprecis˜ao dos passos citados acima pode ocasionar o surgimento de bolhas de ar no interior da cavidade que, por sua vez, ir˜ao interferir no experimento.

O feixe de laser entra por uma abertura (Figura 11, N◦_{5) da c´elula passando pelo}

diamante e pelo l´ıquido transmissor de press˜ao (uma vez que estes s˜ao transparentes) e atinge a amostra. As medidas dos valores de press˜ao no decorrer do experimento foram feitas utilizando o m´etodo do deslocamento das linhas de luminescˆencia R1 e R2 do rubi (Al2O3 : Cr3+). ´E conhecido da literatura que as energias das linhas R1 e R2 s˜ao fun¸c˜oes lineares da press˜ao at´e o limite de 25 GPa, por isso os valores das press˜oes, em unidades de GPa, podem ser calculado utilizando a seguinte rela¸c˜ao emp´ırica,

P = (ω2− ω1)/7, 535,

onde Ri pode ser tanto a energia (em n´umero de onda) da linha R1 quanto a energia da linha R2 (em unidades de cm−1) `a press˜ao P e o ω1 ´e a energia da respectiva linha `a press˜ao ambiente.