DESCRIÇÃO DO APARATO EXPERIMENTAL

O aparato experimental utilizado em todos os experimentos deste trabalho, para representar os modelos físicos matemáticos descritos no Capitulo 3, pode ser visto na Figura 6.2 e é composto por: a) Câmera termográfica; b) Suporte vertical para câmera c) Sistema de aquecimento; d) Amostras; e) Suporte de amostras; f) Sistema de aquisição de dados (Agilent 34970-A); g) Microcomputador para aquisição e tratamento dos dados; h) Cúpula em acrílico.

49

Foram utilizados 5 termopares do tipo E para: medir a temperatura ambiente, a temperatura na superfície inferior da amostra, temperatura do suporte de resistências, temperatura da câmera termográfica e um termopar na superfície superior da amostra como referência. O termopar de referência foi utilizado apenas nos primeiros experimentos, garantindo que a calibração da câmera estava correta e que as medidas fornecidas pela mesma eram coerentes. O termopar colocado na câmera é utilizado para garantir que a mesma esteja funcionando dentro das condições recomendadas pelo fabricante. Estes termopares são analisados no microcomputador através do sistema de aquisição de dados Agilent 34970-A.

Uma cúpula em acrílico foi utilizada para evitar a interferência de radiação externa e reduzir as perturbações provocadas devido ao processo de convecção natural, que ocorre junto às placas (ver Figura 6.2). O aparato experimental conta ainda com uma mesa experimental que permite que os experimentos sejam repetidos com precisão. Em ensaios utilizando câmeras termográficas para detecção de falhas ou anomalias na aderência de meios compostos o aquecimento das amostras deve ser uniforme. Na análise qualitativa e quantitativa das imagens, fluxos de calor distribuídos não uniformemente na superfície, sem serem adequadamente considerados na formulação matemática envolvida, podem provocar gradientes de temperatura que omitem possíveis falhas internas ou mesmo que criem a falsa existência de falhas. Nos estudos realizados para a construção da bancada experimental considerou-se diferentes possíveis fontes de calor. Notou-se que o fluxo de calor gerado por lâmpadas gerava reflexos que interferiam nas analises. Desta forma, o sistema de aquecimento proposto neste trabalho consistiu de uma resistência elétrica fixada num suporte fabricado em alumínio, conforme o esquema da Figura 6.3.a e a foto da Figura 6.3.b. Neste sistema de aquecimento, espera-se que o calor produzido pela resistência elétrica seja difundido para a placa de alumínio e se distribua uniformemente sobre o mesmo. A superfície inferior do suporte, paralela e mais próxima à amostra, foi pintada com tinta de grafite (ver detalhe na Figura 6.3.c). Isto aumentou a absorção de calor, ampliando assim a uniformidade do mesmo pelo suporte. As laterais deste suporte foram mantidas sem pintar e polidas, fazendo com que o calor gerado pela resistência se concentrasse na região interior do suporte. A resistência foi fixada através de isoladores cerâmicos fixados na parte superior de estrutura de alumínio, como pode ser visto no detalhe da Figura 6.3.c.

50

As bases do suporte foram fabricadas em Teflon resistente a 600°C, evitando que houvesse perda de calor para a bancada (ver Figura 6.3.b-c). Este formato para o suporte da resistência foi definido com o objetivo de fornecer um fluxo de calor suficientemente uniforme e, ao mesmo tempo, manter a área central da amostra livre para que as medidas sejam tomadas pela câmera na mesma superfície que está sendo aquecida.

(a) (b)

(c)

Figura 6.3 - Sistema de aquecimento.

Com vista a serem realizados experimentos controlados de detecção de falha através dos métodos propostos neste trabalho foram confeccionadas amostras quadradas (Figura 6.4). As amostras foram fabricadas no laboratório LABMEMs/UFRJ. Optou-se por utilizar como matéria prima para a construção destas amostras o acrílico (Polimetil-

51

metacrilato (PMMA)) devido à experiência dos técnicos do referido laboratório e ainda por haver disponibilidade do material para a construção das amostras. Naturalmente, seria possível a utilização de diferentes materiais, entretanto, neste caso seria necessária a compra da matéria prima e ainda que os equipamentos fossem ajustados de acordo com os materiais escolhidos.

Diferentes formatos de falhas de interface foram produzidos através de técnicas de fabricação de microcanais. Assim, pequenas regiões onde existem descontinuidades no contato entre as camadas dos materiais representam as falhas, cujo formato é controlado. A profundidade destas falhas é de cerca de 100µm a 150 µm, as amostras têm lados a = b = 0.04m e cada camada possui espessura de c1=c2=0.002m. Estas

dimensões foram escolhidas por corresponderem às mesmas dimensões utilizadas em COLAÇO e ALVES (2013). Uma amostra sem falhas (Figura 6.4.a) composta por apenas uma camada cuja espessura é c1= 0.002m foi confeccionada para realizar a

analise e estimativa do fluxo de calor imposto na superfície superior das amostras.

(a) (b) (c)

Figura 6.4 – Exemplos de Amostras fabricadas em acrílico.

Como mostra a Figura 6.5, a superfície superior das amostras, onde serão tomadas as medidas de temperatura, receberam uma fina camada de tinta grafite (Graphit 33, Kontact Chemie). Isto é um procedimento comum em experimentos utilizando termografia para que a emissividade seja aproximadamente uniforme em toda superfície e com valor conhecido e relativamente alto (ε ≈ 0.97, de acordo com os dados técnicos do fabricante), o que reduz erros provocados pela variação da emissividade. Entretanto, acúmulo ou ausência de tinta, em algum ponto especifico da superfície pode causar valores discrepantes nas medidas.

52

(a) (b)

Figura 6.5 – Amostra pintada com tinta grafite (Graphit 33, Kontact Chemie).

Com a finalidade de reproduzir experimentalmente as condições de contorno propostas na formulação Físico-Matemática do Capítulo 3, foram idealizadas três configurações distintas para posicionar a amostra no aparato experimental, como mostram as Figuras 6.6-6.8. Na primeira configuração proposta, Figura 6.6, a amostra é colocada sobre um bloco de isopor, com o objetivo de isolar a superfície inferior. Neste caso, não se utilizou pasta térmica no contato entre amostra e isopor, uma vez que o ar a interface também auxilia no isolamento térmico.

53

Para facilitar a repetitividade do experimento e garantir a hipótese de que as perdas de calor nas laterais são desprezíveis, utilizou-se ainda um gabarito confeccionado em acrílico, como mostra a Figura 6.6. Outro gabarito foi confeccionado ainda para fixar o bloco de alumínio/isopor à mesa experimental e garantir que esta posição seja repetida em cada experimento realizado.

Na segunda configuração, Figura 6.7, a amostra é colocada sobre um bloco de alumínio de grande volume. Como este bloco possui uma alta capacidade térmica volumétrica e uma alta condutividade térmica, espera-se que a temperatura inferior da amostra esteja sujeita a uma temperatura prescrita e uniformemente distribuída na superfície inferior (cuja temperatura é medida por um termopar tipo E posicionado abaixo da amostra). Para melhorar o contato entre o alumínio e a amostra foi utilizada ainda pasta térmica da marca implastec. Nos procedimentos experimentais executados, não foram observadas discrepâncias significativas entre a temperatura do termopar posicionado abaixo da amostra e a temperatura do termopar posicionado na lateral da amostra. Desta forma, considerou-se que a temperatura inferior esteve distribuída uniformemente na superfície inferior e sem variação no tempo. Este resultado pode depender da temperatura ambiente do local onde os experimentos são realizados, especialmente em experimentos de longa duração (mais de 3 horas) em ambientes com fortes mudanças de temperatura.

54

Na terceira e última configuração, Figura 6.8, a amostra foi colocada dentro de uma moldura fabricada em acrílico, deixando livre a superfície inferior para trocar calor com o ambiente por convecção natural.

(a) (b)

Figura 6.8 - Configuração experimental supondo superfície inferior e superior expostas a convecção natural.

Em todos os experimentos manteve-se a distância de 400mm entre a superfície medida da amostra e à câmera e uma distância de 100mm entre a amostra e o sistema de aquecimento. A amostra foi posicionada no centro do sistema de aquecimento como foi mostrado na Figura 6.2.a.

O procedimento experimental é composto pelos seguintes passos:

1. Os sistemas de aquisição de dados da câmera termográfica e dos termopares utilizados são simultaneamente iniciados num horário pré-definido. O software Agilent 34970-A faz a aquisição das temperaturas pelos termopares e o software FLIR ResearchIR™ faz a aquisição das temperaturas medidas pela câmera.

55

2. Durante 10 segundos são tomadas medidas de temperatura, com as quais pode-se calcular o desvio padrão das medidas com base na temperatura inicial da amostra.

3. Uma tensão elétrica alternada pré-determinada é aplicada à resistência elétrica de 22Ω que compõe o sistema de aquecimento das mostras. A potência dissipada por esta resistência é de aproximadamente 323W, quando a tensão aplicada é de 80V e 397W quando a tensão é de 100V.

4. São tomadas medidas de temperatura com um intervalo pré-determinado até que um tempo final de experimento tf é atingido.

Os arquivos de temperaturas obtidos nos experimentos são transformados em arquivos com extensão ‘.mat’ para serem tratados e analisados na plataforma de programação Mathematica 10.0. Neste software, inicialmente é definida a região da imagem total que corresponde à superfície da amostra. São então determinados o desvio padrão das medições e a temperatura inicial a serem utilizados posteriormente nos códigos computacionais. Esta temperatura inicial corresponde à média amostral no tempo e espaço das medidas realizadas durante os 10 segundos iniciais de experimento. As medições realizadas apenas na região de interesse (amostra) são exportadas em formato adequado para serem então lidas nos códigos construídos na linguagem de programação Fortran, que fará a solução dos problemas inversos.

Como na solução do problema inverso correspondente à determinação da condutância térmica de contato o fluxo de calor é considerado conhecido, um experimento contendo uma amostra de apenas uma camada e sem falhas (Figura 6.4.a) é realizado para que este fluxo possa ser identificado, também através da solução de um problema inverso. Após este experimento, são realizados os experimentos com as demais amostras, sempre posicionadas exatamente na mesma região onde o primeiro experimento foi realizado para que o fluxo determinado seja de fato válido. Entre cada experimento é necessário o resfriamento total da bancada experimental até a temperatura inicial do primeiro experimento. Este resfriamento é monitorado pela própria câmera termográfica e por termopares.

A Fig. 6.9 ilustra a tela do software FLIR ResearchIR™ durante a aquisição de medidas de temperatura na amostra sem falhas (Figura 6.4.a), onde pode ser vista a tela após 120 segundos da gravação ser iniciada. Nesta figura pode ser vista uma análise realizada no software durante a aquisição de medidas. A imagem mostra excelente uniformidade da distribuição de temperaturas em diferentes linhas traçadas na região da

56

imagem correspondente à amostra. Nesta imagem pode ser visto ainda a evolução no tempo do perfil de temperaturas, em pontos definidos previamente, para que durante o experimento esta evolução possa ser acompanhada. No experimento da imagem em questão, Figura 6.9, acompanhou-se a evolução no tempo do valor médio das temperaturas na região da amostra e diferentes pontos escolhidos aleatoriamente na região da amostra. Nesta figura pode ser visto ainda um termopar de regerência ao lado da amostra.

Figura 6.9 - Tela do software FLIR ResearchIR™, durante a aquisição de medidas de uma amostra sem falhas de contato.

A Figura. 6.10 ilustra a tela do software FLIR ResearchIR™ durante a aquisição de medidas de temperatura na amostra com falha circular com 150mm de diâmetro (Figura 6.4.b), após 120 segundos de aquecimento. Neste caso pode ser visto claramente a região de falha apenas através da termografia.

Figura 6.10 - Tela do software FLIR ResearchIR™, durante a aquisição de medidas de uma amostra com falha de contato circular.

57

Na Figura 6.10 pode ser visto o perfil de temperaturas numa linha traçada na região central onde a amostra continha falha e acompanhou-se a evolução das temperaturas no tempo em dois pontos distintos: o primeiro num ponto sem falha e o segundo no ponto central, onde existe falha. As imagens visualizadas na tela do programa, Figura 6.10, mostram que a região com falha de fato tem maior aquecimento do que as regiões sadias. Uma análise quantitativa e mais detalhes destes experimentos serão visualizados adiante na seção de resultados.

No processo de fabricação das amostras utilizou-se duas técnicas distintas para realizar o processo de união das camadas do meio composto. Na primeira, a peça passa por um processo de selagem, onde as camadas são quimicamente unidas de forma que apenas a região com falha controlada fica sem contato entre as camadas. Entretanto, muitas peças que passaram por este processo ficaram deformadas (perdendo suas dimensões originais) ou tiveram a região de falha deformada. Isto ocorreu devido à dificuldade em realizar os ajustes necessários no processo de selagem.

Na segunda técnica utilizada para unir as peças, utilizou-se a aplicação de clorofórmio nos cantos superiores e inferiores das peças. O clorofórmio produz uma ligação química nas regiões onde existe contato entre o mesmo e as partes a serem unidas, fazendo a aderência das camadas. Neste caso, tanto as falhas quanto as peças mantêm suas dimensões originais. No entanto, nesta segunda técnica a desvantagem consiste em que a superfície de interface entre as camadas não fica completamente unida quimicamente nas regiões onde deveria haver contato perfeito. De fato, as camadas estão separadas, em algumas regiões de interface, por pequenas distâncias provocadas pela falta de clorofórmio. Isto foi confirmado através de análise realizada com um microscópio digital 3D Hirox, onde foram feitas imagens na lateral exterior das amostras (como mostra a Figura 6.11). Não foi possível realizar a avaliação interna destas regiões por técnicas tradicionais. Na Figura 6.11 são mostradas imagens ilustrativas da superfície lateral das amostras, feitas para avaliar a existência de pequenas distâncias entre as camadas do meio composto. Na imagem mostrada na Figura 6.11.a pode ser visto uma ilustração de uma região onde foi feita uma imagem. Na Figura 6.11.b é mostrado um exemplo de região onde houve união química entre as camadas e nas Figuras 6.11.c-d são vistos dois exemplos de regiões onde não houve contato.

58

Espera-se que a temperatura medida na amostra utilizando apenas clorofórmio seja maior (ABREU, 2011) do que aquela medida nas amostras utilizando o processo de selagem, devido à existência desta resistência térmica em toda a interface.

(a) Exemplo de regiões analisadas (b) Região aderida quimicamente

(c) Distância de 85μm (d) Distância de 90μm

Figura 6.11 - Analise da distância entre as camadas de uma amostra, com falha retangular, unida apenas com clorofórmio. A figura (a) mostra as regiões aproximadas onde foram feitas as análises das figuras

59