UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
WILLIAN DE SOUZA
ESTUDO DA POROSIDADE DE ESTRUTURAS CAPILARES SINTERIZADAS DE COBRE PURO PARA APLICAÇÃO EM UMA CÂMARA DE VAPOR
FLORIANÓPOLIS 2006
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
WILLIAN DE SOUZA
ESTUDO DA POROSIDADE DE ESTRUTURAS CAPILARES SINTERIZADAS DE COBRE PURO PARA APLICAÇÃO EM UMA CÂMARA DE VAPOR
Trabalho de Graduação apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais.
Orientador: Profª. Márcia Barbosa Henriques Mantelli, PhD. Co-orientador: Aloísio Nelmo Klein, Dr. Ing.
FLORIANÓPOLIS 2006
WILLIAN DE SOUZA
ESTUDO DA POROSIDADE DE ESTRUTURAS CAPILARES SINTERIZADAS DE COBRE PURO PARA APLICAÇÃO EM UMA CÂMARA DE VAPOR
Este Trabalho de graduação foi julgado adequado para a obtenção do título de Engenheiro de Materiais e aprovado em sua forma final pelo Curso de Graduação em Engenharia de Materiais da Universidade Federal de Santa Catarina.
_______________________________________ Prof. Dylton do Vale Pereira Filho
Professor da Disciplina
Comissão Examinadora ________________________________________ Profª. Márcia Barbosa Henriques Mantelli, PhD.
Orientadora
______________________________________ Prof. Aloísio Nelmo Klein, Dr.Ing.
Ficha Catalográfica
Souza, Willian de, 1983-
Estudo da porosidade ideal de uma estrutura sinterizada de cobre puro para aplicação em uma câmara de vapor/ Willian de Souza – 2006.
37 f.: il. color.; 30 cm
Orientadora: Márcia Barbosa Henriques Mantelli
Trabalho de conclusão de curso (graduação) – Universidade Federal de Santa Catarina, Curso de Engenharia de Materiais, 2006.
1. Porosidade 2. Sinterização de Cobre 3. Câmara de Vapor. I. Mantelli, Márcia Barbosa Henriques. II. Universidade Federal de Santa Catarina. Curso de Engenharia de Materiais. III. Estudo da porosidade de estruturas capilares sinterizadas de cobre puro para aplicação em uma câmara de vapor.
“Feliz do homem que colhe os frutos de seu próprio suor,
Que brilha sem ofuscar ninguém e
que faz amizades pelo simples prazer de viver”
A meus pais, Léinha e Mildão,
Pelo exemplo de força, perseverança, união e luta que sempre me deram.
Tudo que sou devo a vocês e serei eternamente grato por isso.
Amo muito vocês.
AGRADECIMENTOS
Agradeço:Primeiramente a minha orientadora, professora Márcia Barbosa Henriques Mantelli, pela oportunidade e por acreditar em mim deixando-me responsável pela pesquisa de estruturas porosas no Labtucal/EMC/UFSC. Pelo apoio irrestrito a todos nós do laboratório e pelo exemplo de liderança que me dá a mais de 2 anos.
Ao meu co-orientador, professor Aloísio Nelmo Klein, pelo incentivo, pela parceria, pela troca de informações e por todo o seu precioso tempo gasto com esse trabalho. Professor este que em momento algum me deixou sem respostas e esteve sempre disposto a me orientar. À Professora Claudia Terezinha Kniess, pelo auxílio nas correções e por estar sempre disposta a ajudar.
Ao Cristiano Binder pela confiança em deixar-me trabalhar a noite no LabMat/EMC/UFSC.
À empresa Metalpó pelo fornecimento de cobre para os testes.
À Douglas Mayer e Paulo Orsi que não mediram esforços em ajudar-me com as análises térmicas e sinterizações e pela parceria e compreensão.
À Rangel Thiesen pela importante colaboração nos testes de MEV.
Aos técnicos Charles, Carlos Eduardo e Eduardo Ludgero pelo auxílio nos testes, análises destes, pelas soldagens e pelos momentos de descontração no laboratório.
Aos amigos Leonardo Bogoni, Diogo Sapia e Enrique Fienra pela parceria e pelos momentos de descontração.
À namorada, Bárbara, que muito me ajudou e incentivou para que este trabalho fosse concluído. Pelo seu ombro amigo e pela compreensão nas últimas semanas do trabalho.
Ao meu irmão Murilo e aos meus pais Rosiléia e Romildo de Souza, por todo o apoio que me deram em todos esses anos de formação, contribuindo de forma essencial para que todos os meus objetivos fossem alcançados. Por terem sido os maiores incentivadores, mesmo nos momentos difíceis e principalmente por terem me ensinado os maiores valores que hoje carrego comigo.
RESUMO
O desenvolvimento tecnológico da eletrônica computacional permitiu o aumento na velocidade de processamento dos componentes eletrônicos e a redução do seu tamanho, tornando os computadores mais rápidos e portáteis. Assim, estes componentes geram grande quantidade de calor em pequenos volumes. Dessa forma, faz-se necessária a produção de dissipadores de calor mais eficientes. Uma tecnologia empregada nestes casos é a do dissipador térmico do tipo câmara de vapor, onde uma estrutura capilar sinterizada é acoplada à base do dispositivo. A câmara de vapor tem a função de homogeneizar a temperatura em toda a base do dissipador, aumentando a sua eficiência. A eficiência da câmara de vapor é proporcional a sua força capilar e esta, por sua vez, é uma função do percentual de porosidade da estrutura capilar. Quanto maior a porosidade e menores os poros, maior será a força de bombeamento capilar do fluido de trabalho. Essa característica proporciona um melhor espalhamento do fluido na base da câmara, provocando uma distribuição de temperatura uniforme e aumentando sensivelmente a eficiência da toca térmica nas aletas do dissipador. Dentro desse contexto, o presente trabalho propõe estudar a porosidade de estruturas capilares sinterizadas de cobre puro para aplicação em uma câmara de vapor. Para isso o trabalho visa determinar a variação desta com o aumento das temperaturas de sinterização para três diferentes amostras de pós de cobre, com diferentes distribuições de tamanho de partículas. De acordo com a literatura, estas características influenciam a porosidade final da estrutura capilar. A proposta de tal estudo é a aplicação dos resultados na construção futura de uma câmara de vapor com estrutura capilar sinterizada de cobre.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Princípio físico de funcionamento de um termossifão ___________________ 4 Figura 2 – Princípio físico de funcionamento de um tubo de calor __________________ 4 Figura 3 – Distribuição de níveis de temperatura em uma base de dissipador ________ 5 Figura 4 – Esquema de funcionamento de uma câmara de vapor___________________ 6 Figura 5 – Faixas de temperaturas de aplicação dos fluidos de trabalhos mais usados. _ 8 Figura 6 – Propriedades da água _____________________________________________ 8 Figura 7 – Ilustração do ângulo de contato de uma gota sobre um sólido plano ______ 11 Figura 8 – Molhabilidade em função da Energia Livre Superficial ________________ 12 Figura 9 – Formato dos meniscus em uma parede sólida de tubo de calor __________ 12 Figura 10 – Ilustração do efeito da capilaridade ________________________________ 13 Figura 11 – A sinterização como uma mudança de estado termodinâmico do material 14 Figura 12 – Formação de pescoços no primeiro estágio da sinterização_____________ 15 Figura 13 – Crescimento dos pescoços e retração do compactado _________________ 16 Figura 14 – Estágio avançado da sinterização __________________________________ 16 Figura 15 – Área de contato dos pescoços _____________________________________ 17 Figura 16 – Densidade em função da temperatura ______________________________ 18 Figura 17 – Densidade final em função do tempo de sinterização __________________ 18 Figura 18 – Ilustração do processo de distribuição granulométrica por peneiramento 22 Figura 19 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAC __ 27 Figura 20 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAQ __ 27 Figura 21 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAM __ 28 Figura 22 – Micrografias das três amostras de pó de cobre_______________________ 29 Figura 23 – Análise térmica diferencial das amostras de cobre____________________ 30 Figura 24 – Termogravimetria das amostras de cobre___________________________ 31 Figura 25 – Dilatometria das amostras de cobre________________________________ 32 Figura 26 – Comportamento das partículas em função do ciclo de sinterização ______ 33 Figura 27 – Relação entre a porosidade e temperatura de sinterização das amostras de cobre compactadas ________________________________________________________ 34
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Comparação entre materiais condutores térmicos e a câmara de vapor ________ 6 Tabela 2 – Conversão mesh- tamanho do furo da peneira___________________________ 21 Tabela 3 – Efeito da Temperatura sobre a densidade da água________________________ 24 Tabela 4 – Características dos pós de cobre _____________________________________ 26
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO _________________________________________________________ 1 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA _____________________________________________ 3
2.1 Trocadores de Calor _________________________________________________________ 3 2.2 Câmaras de Vapor ___________________________________________________________ 4
2.2.1 Funcionamento de uma câmara de vapor ______________________________________________ 7 2.2.2 Fluido de Trabalho _______________________________________________________________ 7 2.2.3 Características da estrutura porosa de uma câmara de vapor _______________________________ 9 2.2.3.1 Definição de Estrutura Porosa___________________________________________________ 9 2.2.3.2 Tensão Superficial___________________________________________________________ 10 2.2.3.3 Ângulo de Contato __________________________________________________________ 10 2.2.3.4 Molhabilidade ______________________________________________________________ 11 2.2.3.5 Efeito de capilaridade ________________________________________________________ 13 2.2.4 Obtenção da Estrutura Porosa - Sinterização do Pó _____________________________________ 13 2.2.4.1 Força motriz _______________________________________________________________ 14 2.2.4.2 Estágios da Sinterização ______________________________________________________ 15 2.2.4.3 Ciclo de sinterização _________________________________________________________ 16 2.2.4.4 Densidade Teórica e Aparente _________________________________________________ 17 2.2.4.5 Porosidade_________________________________________________________________ 19 3. MATERIAIS E MÉTODOS ______________________________________________ 20
3.1 Cobre_____________________________________________________________________ 20
3.1.1 Técnicas para a Caracterização da Matéria-Prima ______________________________________ 20 3.1.1.1 Tamanho e distribuição do tamanho de partícula ___________________________________ 21 3.1.1.2 Técnicas Termoanalíticas _____________________________________________________ 22
3.2 Processamento dos Pós Metálicos______________________________________________ 23 3.3 Técnicas para a Caracterização dos Pós Sinterizados _____________________________ 23
3.3.1 Densidade Aparente (ρa)__________________________________________________________ 23
3.3.2 Densidade Geométrica (ρg) ________________________________________________________ 25
3.3.3 Densidade Teórica (ρth)___________________________________________________________ 25
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES __________________________________________ 26
4.1 Caracterização dos Pós Metálicos _____________________________________________ 26
4.1.1 Distribuição granulométrica por peneiramento_________________________________________ 26 4.1.2 Análise de Imagem ______________________________________________________________ 28 4.1.3 Análise Térmica Diferencial (DTA) _________________________________________________ 29 4.1.4 Análise Termogravimétrica (TG) ___________________________________________________ 30 4.1.5 Dilatometria ___________________________________________________________________ 31
4.2 Caracterização dos Materiais Sinterizados ______________________________________ 33
4.2.1 Porosidade_____________________________________________________________________ 34 5. CONCLUSÕES_________________________________________________________ 36 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ________________________________________ 38 ANEXOS: _______________________________________________________________ 39
Anexo A: Micrografia do pó PAC com aumento de 40x ______________________________ 39 Anexo B: Micrografia do pó PAC com aumento de 200x _____________________________ 39 Anexo C: Micrografia do pó PAQ com aumento de 40x ______________________________ 40 Anexo D: Micrografia do pó PAC com aumento de 200x _____________________________ 40 Anexo E: Micrografia do pó PAQ com aumento de 40x ______________________________ 41 Anexo F: Micrografia do pó PAQ com aumento de 200x _____________________________ 41
1. INTRODUÇÃO
Câmara de vapor é um tipo de dispositivo altamente eficiente utilizado para a troca de calor. Fazem parte da família dos tubos de calor e são equipamentos que espalham o calor oriundo de pequenas áreas, utilizando uma pequena quantidade de fluido de trabalho (ex: água) em seu interior, hermeticamente fechado e evacuado.
Como em um tubo de calor, existem três regiões distintas em uma câmara de vapor: evaporador, região adiabática e condensador. É na região do evaporador, que o calor é fornecido ao sistema, vaporizando o fluido ali contido. O vapor gerado se desloca, devido a diferenças de pressão, para a região superior e mais fria da câmara, o condensador, onde o calor transportado é rejeitado. No processo de rejeição de calor, o vapor se condensa e o condensado é transportado de volta ao evaporador, fechando o ciclo. A região adiabática, que pode apresentar dimensão variável (sendo inexistente em alguns casos), está localizada entre o evaporador e o condensador, sendo isolada do meio externo.
Utilizam calor latente de vaporização para transferir calor a partir de pequenas diferenças de temperatura. Basicamente consistem de uma caixa metálica (que no caso deste trabalho será de cobre), com uma “película” porosa do mesmo material sinterizada em sua base. Todo o sistema é evacuado e certa quantidade de fluido de trabalho é inserida.
Dessas três regiões, a que terá mais importância para este trabalho é o evaporador. Isso se deve ao fato de a estrutura porosa pertencer a esta região. A eficiência da câmara de vapor está diretamente ligada às características de sua estrutura porosa e o estudo dessas características é o foco deste trabalho. Acredita-se que havendo este estudo, ter-se-á um melhor aproveitamento de tempo, matéria- prima e energia na construção deste dispositivo.
Este estudo foi impulsionado pela necessidade de se construir uma câmara de vapor utilizando pó de cobre comercial. Tal decisão tornaria mais acessível e econômica a construção do dispositivo. Assim, foram escolhidos os três pós de cobre comerciais mais comuns, segundo o fornecedor, com suas distintas distribuições granulométricas: 1º pó fino; 2º pó bem distribuído nas peneiras granulométricas; e 3º pó mais grosseiro.
Faz-se necessário uma caracterização térmica e microscópica destes pós antes de dar início a qualquer teste. Ensaios como termogravimetria, análise térmica diferencial, dilatometria, granulometria, densidade e outros possibilitarão que sejam elaborados ciclos de sinterização para as amostras.
O objetivo da realização de ciclos de sinterização de amostras compactadas dos pós de cobre é obter um gráfico de porosidade em função da temperatura para as três diferentes
distribuições granulométricas. Tendo essa ferramenta visual em mãos fica fácil determinar qual a faixa de sinterização e quais os pós que levam a formação da porosidade desejada. A identificação da estrutura porosa é necessária, pois esta é responsável diretamente pela força capilar do material (ou componente) poroso em desenvolvimento.
O presente trabalho está organizado na seguinte ordem: primeiramente foi redigida a revisão bibliográfica, capítulo importante para embasar o leitor ao assunto. A seguir tem-se um capítulo onde o autor apresenta os materiais estudados, os métodos utilizados para caracterizá-los e a metodologia utilizada na análise e escolha do melhor ciclo de sinterização e da melhor distribuição granulométrica. Os resultados e suas discussões são apresentados no capítulo seguinte do trabalho. E finalmente, o trabalho é encerrado com as conclusões cabíveis e as referências bibliográficas utilizadas para pesquisa.
Objetivo Geral
Estudar a influência do tamanho de partícula e da temperatura de sinterização sobre a estrutura porosa de componentes obtidos pela compactação de pó de cobre. Os resultados serão utilizados no desenvolvimento de um aparato experimental onde se possa estudar o comportamento dos vapores em ebulição em um meio poroso sinterizado de cobre em uma câmara de vapor;
Objetivos Específicos
Entre os objetivos específicos deste trabalho, pretende-se:
1. Obter aprendizado prático em técnicas e ferramentas para a caracterização de pós; 2. Obter aprendizado na área de sinterização de cobre visando sua utilização posterior no desenvolvimento de câmara de vapor;
3. Analisar e tratar dados experimentais relacionados à sinterização e porosidade de materiais sinterizados visando sua utilização posterior no desenvolvimento de câmara de vapor;
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo, serão abordados sucintamente alguns aspectos relacionados às propriedades gerais e aplicações de uma câmara de vapor. Serão explicitados quais os requisitos de um projeto de construção, os principais requisitos de funcionamento, que partes compõem e como trabalha um dispositivo térmico dessa natureza
Em seguida, serão apresentados referenciais teóricos sobre as características da estrutura porosa de uma câmara de vapor. Por fim serão apresentadas as principais características de sinterização – processo de fabricação no qual a porosidade ideal será alcançada.
2.1 Trocadores de Calor
Tubos de calor e termossifões representam os dois tipos de trocadores de calor: um baseado na força capilar e o outro na gravidade, respectivamente. São dispositivos altamente eficientes que já vem sendo estudados há séculos. As primeiras patentes relacionadas à termossifões foram registradas por A. M. Perkings e J. Perkings, em meados de 1800 [1].
Em ambos os casos, utilizam calor latente de vaporização para transferir calor a partir de pequenas diferenças de temperatura e trabalham em um ciclo bifásico fechado. Consistem de um tubo metálico oco, evacuado e preenchido com certa quantidade de fluido de trabalho.
Os dois possuem três regiões distintas: evaporador, região adiabática e condensador. Na região do evaporador, calor é fornecido ao tubo, vaporizando o fluido contido nesta região. O vapor gerado se desloca, devido a diferenças de pressão, para a região mais fria do tubo: o condensador. Nessa etapa do processo, o calor é rejeitado fazendo com que o vapor se condense e seja transportado de volta ao evaporador fechando o ciclo. A região adiabática está localizada entre o evaporador e o condensador, sendo isolada do meio externo.
No caso de termossifões, o fluido condensado retorna para o evaporador por efeito da gravidade. Assim para evitar a secagem do fluido de trabalho no evaporador, este deve estar sempre localizado abaixo do condensador. No caso de tubos de calor, o retorno se dá pelo efeito da força capilar, que é resultante do escoamento do fluido pelo meio poroso ou por outra forma de bombeamento capilar. Este meio, na maioria dos casos, reveste a parede interna dos tubos e não está presente nos termossifões. As Figuras. 1 e 2 apresentam os princípios físicos de funcionamento de um termossifão e de um tubo de calor, respectivamente [1].
Figura 1 – Princípio físico de funcionamento de um termossifão
Figura 2 – Princípio físico de funcionamento de um tubo de calor
2.2 Câmaras de Vapor
Com o passar dos anos, o desenvolvimento tecnológico de equipamentos eletrônicos, computadores, por exemplo, permitiu o aumento na velocidade de processamento destes e a redução do seu tamanho, tornando-os mais rápidos e portáteis. Porém essa diminuição do tamanho veio acompanhada de um aumento da potência, de forma que grandes quantidades de calor passaram a ser geradas em pequenas áreas. Assim quanto mais elevada a potência térmica dissipada e menor o tamanho da fonte geradora, maior a resistência térmica ao espalhamento do fluxo de calor gerado, como ilustrado na figura 3, onde as regiões vermelhas mostram níveis elevados de temperaturas que devem ser controlados.
Figura 3 – Distribuição de níveis de temperatura em uma base de dissipador
Assim, para remover o excesso de calor gerado, são empregados dissipadores de calor, que são dispositivos que, quando acoplados a fonte quente, aumentam a área de troca de calor, pela presença de diversas aletas. Quanto maior o nível de dissipação, maiores serão os dissipadores. Outro procedimento seria aumentar o fluxo de ar imposto sobre os dissipadores para retirar o calor. Estas medidas provocam o aumento do peso, do ruído, da complexidade do sistema e do custo do projeto. Uma maneira de aumentar o rendimento dos dissipadores seria de alguma maneira, distribuir o fluxo de calor uniformemente na base destes dissipadores.
Câmaras de vapor são capazes de promover o espalhamento uniforme do calor gerado por uma fonte térmica concentrada na base de um dissipador. A câmara de vapor é um dispositivo térmico com as características muito semelhantes às do tubo de calor, porém com geometria diferenciada. Vácuo é empregado na montagem do dispositivo, sendo o fluido de trabalho posteriormente inserido. A parede inferior da câmara é revestida por uma estrutura capilar que opera encharcada pelo fluido de trabalho. O restante do volume interno da câmara é ocupado com o vapor do fluido de trabalho. O componente a ser resfriado é colocado na base da câmara de vapor que é, por sua vez, instalada na base do dissipador com aletas.
A eficácia de uma câmara de vapor está diretamente associada à qualidade da interface de contato entre o dissipador e o tubo de calor e a capacidade de espalhamento de calor que a câmara de vapor é capaz de proporcionar na base do dissipador. Esses requisitos normalmente não são problema, devido à presença de vapor no espaço vazio [1]. Porém a região onde o calor é dissipado deve sempre estar molhada. Esta capacidade de molhabilidade depende da
qualidade do meio poroso presente na câmara. A figura 4 apresenta um esquema de funcionamento de uma câmara de vapor.
Figura 4 – Esquema de funcionamento de uma câmara de vapor
Em aplicações típicas, os tubos de calor exibem uma condutividade térmica até 1.000 vezes maior que as aplicações do alumínio. Os tubos de calor transportam energia no seu sentido longitudinal, ou seja, em movimento unidimensional. As câmaras de vapor, por sua vez, são dispositivos capazes de transportar ainda mais calor, pois o espalhamento do calor se dá principalmente porque o vapor ocupa o volume interno da câmara de maneira uniforme. Assim, o calor é espalhado sobre uma grande área com baixa resistência térmica, pois a diferença de temperatura associada com o movimento do vapor é insignificante [2,5]. Uma tabela de comparação da capacidade de troca térmica de uma câmara de vapor e de placas de material maciço de alta condutividade térmica, de mesma geometria (neste caso o transporte de calor se dá por condução), é mostrada a seguir.
Tabela 1 – Comparação entre materiais condutores térmicos e a câmara de vapor
Câmara de Vapor 50 000 – 200 000 W/mºC
Alumínio 180 W/mºC
Cobre 386 W/mºC
2.2.1 Funcionamento de uma câmara de vapor
A alta capacidade de transporte do calor de termossifões (incluindo câmaras de vapor) é devido ao uso intenso de calor no processo de condensação e evaporação do fluido de trabalho. O fluxo de calor imposto por uma resistência na base inferior da câmara (por exemplo, uma resistência elétrica simulando um equipamento eletrônico), faz com que o fluido que está retido na estrutura porosa se vaporize. Por diferença de pressão, o vapor gerado se desloca para a parte superior da câmara onde o calor é absorvido pelo dissipador (condensador), fazendo com que o vapor se condense. O condensado escorre, por efeito de tensão superficial e pelo efeito da gravidade pelas paredes da câmara, retornando para o meio poroso e assim fechando o ciclo.
Se o meio poroso for bem projetado, a ação capilar da estrutura permite que a câmara de vapor opere inclinada em relação à horizontal, mesmo contra a ação da gravidade [1,2].
2.2.2 Fluido de Trabalho
A eficiência de um tubo de calor baseia-se principalmente na vaporização e condensação do fluido de trabalho. Assim, uma cuidadosa escolha deste fluido é um fator importantíssimo para o bom funcionamento da câmara de vapor. O fluido de trabalho deve ser adequado à aplicação do tubo de calor e/ ou termossifão, devendo apresentar uma temperatura de ebulição ajustada ao nível de temperatura de operação. A Figura 5 mostra alguns fluidos de trabalhos típicos, separados de acordo com sua temperatura de operação. De acordo com Dunn e Reay (1994, p 107), os principais requisitos de um ideal fluido de trabalho, além das considerações termodinâmicas, são:
1. Compatibilidade com a estrutura capilar e com o material das paredes; 2. Boa estabilidade térmica;
3. Possuir alta molhabilidade na interação com a estrutura capilar e com o material das paredes;
4. Pressão de vapor compatível com a faixa de temperatura operacional; 5. Alto calor latente;
6. Alta condutividade térmica;
7. Baixas viscosidades de líquido e de vapor; 8. Alta tensão superficial;
Figura 5 – Faixas de temperaturas de aplicação dos fluidos de trabalhos mais usados.
Dentre os fluidos de trabalho disponíveis para o uso em câmaras do vapor, os atributos termodinâmicos da água a fazem ter mais importância que alguns outros fluidos. Além disso, é um fluido com propriedades e comportamentos bem determinados. A figura 6 mostra as propriedades da água usada como fluido em tubos de calor.
O alto calor latente de vaporização da água proporciona uma maior taxa de transferência de calor para um mesmo volume de fluido quando comparado com outros fluidos. A sua elevada tensão superficial, quando combinada com uma estrutura capilar com pequenos tamanhos de poros, gera uma grande força capilar que possibilita a operação de um tubo de calor sujeito a várias inclinações em relação à horizontal. Sua alta condutividade térmica minimiza a diferença de temperatura através desta estrutura capilar [2].
O maior limitante para um fluido se encontra na capacidade do meio poroso em prover pressão suficiente para promover sua circulação. Quando esta pressão capilar não é suficiente, o tubo de calor atinge o seu limite, ocorrendo a secagem do meio poroso no evaporador [5].
2.2.3 Características da estrutura porosa de uma câmara de vapor
Neste capítulo o foco do estudo é a estrutura porosa da câmara de vapor. Serão apresentados conceitos teóricos que contribuirão para compreender o funcionamento da estrutura porosa presente no dispositivo em questão: desde a sua porosidade até a interação com o fluido de trabalho.
2.2.3.1 Definição de Estrutura Porosa
Como comentado anteriormente, a estrutura porosa presente em tubos de calor é a responsável pelo transporte de fluido de trabalho do condensador ao evaporador. No caso de câmaras de vapor, essa estrutura apresenta duas funções primordiais: retornar o fluido condensado para o evaporador e garantir que este fluido se distribua uniformemente por toda a superfície interna.
O movimento do fluido de trabalho no meio poroso se dá pelo bombeamento capilar que a estrutura porosa proporciona ao líquido. Conforme Dale Mehl (2005 p. 2), para aumentar a pressão de bombeamento capilar é desejável que os tamanhos dos poros sejam bastante reduzidos. Em contrapartida, poros reduzidos aumentam a resistência de escoamento do fluido de trabalho pelo meio poroso, aumentando a resistência térmica global do dispositivo. Faz- se então necessário um ponto de equilíbrio entre essas características para que se tenha um bom funcionamento do dispositivo.
O funcionamento físico do bombeamento de um fluido de trabalho em um meio poroso está diretamente associado ao desequilíbrio de pressões nas interfaces do sistema (Líquido/ Vapor, Líquido/ Sólido e Sólido/ Líquido). O comportamento termo-físico das interfaces é função principalmente da tensão superficial, molhabilidade e ângulo de contato.
2.2.3.2 Tensão Superficial
As moléculas de um líquido interagem entre si de várias maneiras. Uma delas é a atração ou repulsão elétrica, se estiverem carregadas ou se suas cargas positivas e negativas não estiverem igualmente distribuídas no espaço. Além disso, sofrem a ação da gravidade e da agitação térmica. Se o líquido estiver em um recipiente, como um copo, por exemplo, as forças de atração preponderam e impedem que as moléculas se espalhem pelo espaço. O líquido ocupa um volume determinado, formando uma superfície bem definida entre ele e o ar circundante. Surge daí uma diferença clara entre as moléculas da superfície e as que ficam internas no líquido – estas interagem com as demais em todas as direções. Em média, portanto, essas interações (ou forças) se anulam mutuamente.
Em contrapartida, as que ficam na superfície só podem interagir com as que estão do lado de dentro. Do lado de fora só existe o ar e as moléculas do ar estão tão separadas uma das outras que seu efeito imediato sobre a superfície líquida pode ser desprezado.
O resultado é que a película que fica na superfície sofre uma atração para dentro do próprio líquido. Essa tendência é contrabalançada pela resistência das moléculas de dentro que só podem ceder espaço até certo ponto. Quando o equilíbrio é alcançado, a tendência das moléculas superficiais de penetrarem no líquido é equilibrada pela resistência das demais que estão no interior.
Se o líquido for a água dentro de um copo, forma-se uma superfície mais ou menos plana e ligeiramente encurvada para cima nas paredes internas do copo. Se o recipiente for um tubo estreito, a superfície da água assume uma forma côncava, que recebe o nome de menisco. Este fenômeno é denominado tensão superficial. Observe que não é nenhuma força ou interação nova, com o mesmo status do peso ou da força elétrica. É apenas um tipo de equilíbrio entre essas forças que já existem no líquido, moldando a forma da superfície deste.
2.2.3.3 Ângulo de Contato
A interação entre uma superfície e um determinado líquido pode ser estudada através da medida do chamado ângulo de contato θ. Este é definido como o ângulo entre um plano tangente a uma gota do líquido e um plano contendo a superfície onde o líquido se encontra depositado, conforme esquematizado na Figura 7.
Figura 7 – Ilustração do ângulo de contato de uma gota sobre um sólido plano
O ângulo de contato de uma interface líquida depende apenas das propriedades físicas dos três meios de contato (sólido, líquido e fluido), sendo independente do formato da base e da gravidade. Na figura 6, as tensões superficiais resultantes das interações entre os três meios (sólido, líquido e vapor) são representadas por γ
lv, γsl, γsv, para as interfaces líquido-vapor,
sólido-líquido e sólido-vapor, respectivamente. Essas são as responsáveis pelas forças superficiais, que agem tangencialmente na interface. O ângulo de contato θ é determinado a partir de um balanço de forças devido às tensões superficiais ao longo da linha de contato.
O aumento do ângulo de contato θ representa uma diminuição da área de interface sólido-líquido. Por outro lado, uma diminuição deste ângulo representa um espalhamento do líquido, aumentando a área da interface entre sólido-líquido. Essa teoria é valida em casos onde o volume da gota é fixo, ou seja, quando a gota não sofre influências da vaporização nem da condensação. No limite horizontal, quando θÆ0 o líquido forma um filme fino, que se espalha por toda a superfície.
2.2.3.4 Molhabilidade
O termo molhabilidade talvez seja definido como “manifestação macroscópica da interação molecular entre sólidos e líquidos em contato direto na interface entre eles” [6].
A capacidade que um líquido possui de se espalhar sobre uma superfície é uma definição mais simples deste fenômeno. Este parâmetro é muito utilizado na metalurgia do pó, onde a fase líquida necessita apresentar alta molhabilidade para acelerar a sinterização e nos sistemas tribológicos onde os lubrificantes precisam ter alta molhabilidade para diminuir o atrito. Nos materiais hidrofóbicos ela é baixa a fim de facilitar o escoamento da água.
O fenômeno da molhabilidade é caracterizado utilizando os parâmetros termodinâmicos, como por exemplo, ângulo de contato, energia livre superficial e trabalho de
adesão. A Figura 8 apresenta um esquema da molhabilidade em função da energia livre superficial.
Figura 8 – Molhabilidade em função da Energia Livre Superficial
Quando γsv<γsl, o ângulo de contato é obtuso, tendo-se uma condição de não
molhamento, ilustrada pela figura 9a. Por outro lado, quando γsv>γsl então o ângulo de contato
será agudo, ou seja, tem-se uma condição de molhamento, conforme ilustra a figura 9b. As características de molhamento dependem das propriedades do sólido e do líquido e se constituem em um importante parâmetro a ser considerado no projeto de um tubo de calor.
Em uma câmara de vapor a importância da molhabilidade é devido a esta propriedade ser diretamente ligada à eficiência da força capilar da estrutura porosa.
Figura 9 – Formato dos meniscus em uma parede sólida de tubo de calor:
2.2.3.5 Efeito de capilaridade
Um tubo muito fino é chamado de tubo capilar por ser, possivelmente, tão fino quanto um fio de cabelo. Introduzindo um tubo capilar em um recipiente com água ela sobe pelas paredes do tubo até certa altura. Quem sustenta o peso da coluna de água no capilar é a tensão superficial. Tem-se uma ilustração deste fenômeno na figura 10.
Figura 10 – Ilustração do efeito da capilaridade
O diâmetro de um tubo capilar é inversamente proporcional a força capilar deste. Ou seja, quanto menos o diâmetro, maior a força capilar de bombeamento do fluido. No caso, essa tensão superficial que sustenta a água ocorre pela interação entre as moléculas de água e a parede interna do capilar. Ao longo da circunferência de contato entre a água e a parede, surgem forças atrativas que elevam a água. Esse fenômeno é interrompido quando a tensão superficial que sustenta a água for inferior a força imposta pelo peso da coluna de água.
Em uma câmara de vapor, o fluido de trabalho penetra na estrutura porosa e se distribui uniformemente por toda a superfície. A capacidade de espalhamento deste fluido está justamente na obtenção de uma estrutura ideal, conforme será descrito na próxima seção.
2.2.4 Obtenção da Estrutura Porosa - Sinterização do Pó
A sinterização é uma das etapas da fabricação de materiais a partir de pós e deve ser vista, sob o ponto de vista teórico, como uma transformação de estado termodinâmico (figura 11). É uma transformação espontânea (natural) e conseqüentemente irreversível que visa gerar continuidade de matéria entre as partículas.
A sinterização ocorre a partir do transporte de matéria, ativado termicamente, em uma massa de pós ou um compactado poroso, resultando na diminuição da superfície específica livre pelo crescimento de contatos entre as partículas, redução do volume e alteração da geometria dos poros.
Figura 11 – A sinterização como uma mudança de estado termodinâmico do material
Os parâmetros de sinterização utilizados em um ciclo de sinterização são funções do material e da especificação técnica do produto que se quer obter. Partindo-se de um estado inicial (compactado verde), pode-se chegar a distintos estados sinterizados dependendo dos parâmetros de sinterização (temperatura, tempo, atmosfera, etc.) utilizados no processo.
Por outro lado, para alcançar um determinado estado sinterizado (caracterizável pela microestrutura e pelas propriedades do componente) pode-se partir de estados iniciais distintos (estados verdes distintos). Estes podem ser variados em função dos parâmetros de compactação ou, ainda, utilizando-se pós (do mesmo material) com características distintas entre si (tamanho de partícula, tamanho de grão no interior das partículas, pós ligados ou misturas de pós, etc.). Em outras palavras, para alcançar a especificação técnica do componente sinterizado, tem-se duas possibilidades: o controle dos parâmetros de sinterização e a definição de um estado inicial (estado verde) mais adequado.
2.2.4.1 Força motriz
A força motriz para a obtenção de meios sinterizados é o fenômeno da diminuição da energia livre (G) do sistema. Esta diminuição é um processo irreversível (natural ou espontâneo) → ΔG < 0. As principais parcelas são:
1) Diminuição da superfície livre específica → ΔG1 resultante do aumento da área de
contato entre as partículas, gerando continuidade de matéria, diminuição do volume poroso e arredondamento dos poros;
2) Eliminação dos defeitos de rede (discordâncias, defeitos de ponto, etc.) fora do equilíbrio termodinâmico → ΔG2;
3) Eliminação de heterogeneidades em sistemas multicomponentes (ΔG3) resultante da
homogeneização química em sistemas multicomponentes, ou seja, da eliminação de gradientes de potencial químico.
ΔG = ΔG1 + ΔG2 + ΔG3
2.2.4.2 Estágios da Sinterização
Embora a sinterização seja um processo contínuo, pode-se dividir a mesma em 3 estágios. No primeiro formam-se os pescoços no contato entre as partículas. Nesse estágio não ocorre grande movimentação e nem retração de partículas. A figura 12 apresenta um esquema representando a formação de pescoços no primeiro estágio da sinterização.
Figura 12 – Formação de pescoços no primeiro estágio da sinterização
No segundo estágio da sinterização, conhecido como estágio intermediário, tem-se um crescimento da relação entre raio do pescoço pelo raio da partícula. A partir desta etapa, as partículas vão perdendo gradativamente sua identidade. Neste estágio o sinterizado apresenta duas “fases” contínuas: a do material (fases sólida) e a “vazia” (rede interligada de poros). O tamanho de grão cresce, resultando em uma nova microestrutura. A maior parte da retração ocorre neste estágio, Figura 13.
Figura 13 – Crescimento dos pescoços e retração do compactado
É nesse segundo estágio da sinterização que está o maior interesse no processo de construção de uma câmara de vapor com estrutura capilar porosa. O ciclo de sinterização realizado no presente trabalho tem como base a faixa de temperatura deste estágio.
O último estágio da sinterização não é desejável na construção de uma câmara de vapor, pois gera isolamento e arredondamento dos poros. A densidade do material neste caso é da ordem de 90 a 95% da densidade de um material sólido, conforme mostra a Figura 14.
Figura 14 – Estágio avançado da sinterização:
coalescimento e arredondamento dos poros
2.2.4.3 Ciclo de sinterização
Em um ciclo de sinterização existem alguns parâmetros que devem ser controlados:
• Velocidade de aquecimento e resfriamento; • Tempo, temperatura e pressão;
• Atmosfera do forno.
Tais parâmetros devem ser estudados para se tentar encontrar uma configuração ideal de sinterização para o material em questão. A figura 15 exemplifica bem como o ciclo de sinterização pode influenciar nos resultados finais de um material. Observa-se que o diâmetro
da área de contato entre as partículas é o mesmo nos dois casos explicitados na figura, porém os tamanhos das partículas são bastante diferentes. Obtém-se esse controle de processo através do estudo das propriedades do material e dos parâmetros de sinterização.
Figura 15 – Área de contato dos pescoços
2.2.4.4 Densidade Teórica e Aparente
Em uma câmara de vapor, assim como em tubos de calor, a densidade é considerada como umas das mais importantes características, pois está diretamente relacionada ao percentual de porosidade da estrutura capilar sinterizada. Em casos onde o material possui porosidade microestrutural nula, tem-se a chamada densidade teórica. A densidade aparente é uma medida do corpo que inclui todas as porosidades, defeitos de retículo e de fases.
O resultado de densidade, após o corpo ser submetido à sinterização, está diretamente relacionado com a pressão de compactação empregada na preparação das amostras. A densidade aparente aumenta linearmente com o aumento desta pressão de compactação. Como a densidade do compactado é dada pela razão entre a massa e o volume do mesmo e a massa permanece constante durante a compactação, uma forma de se aumentar a densidade, quando necessário, é aumentar a pressão de compactação. Portanto, a densificação de pós metálicos depende entre outros, da sua capacidade de deformação plástica.
Além da pressão de compactação, da temperatura e do tempo de sinterização, a densidade final alcançada depende fortemente do tamanho de partícula do pó utilizado, conforme pode ser visto nas figuras 15 e 16.
Figura 16 – Densidade em função da temperatura
A figura 17 mostra a evolução da microestrutura durante a sinterização para o caso em que ocorrem falhas de enchimento (falhas de massa) na etapa da alimentação da matriz de compactação com o pó. Ao retrair, as dimensões, ou seja, o volume da falha aumenta. Defeitos semelhantes podem ser gerados em decorrência de gradientes de restrição mecânica à retração durante a sinterização, quando da sinterização de filmes ou camadas de pós sobre substratos maciços (densos). Isto poderá trazer dificuldades para sinterizar uma camada com estrutura porosa uniforme sobre o substrato de cobre da câmara de vapor.
2.2.4.5 Porosidade
Em materiais sinterizados, é de elevada importância o conhecimento da porosidade (aberta, fechada e total) uma vez que, além de ser um importante parâmetro de densidade, interfere em todas as propriedades finais do produto. Assim, em um projeto de câmara de vapor, essa propriedade determina, dentre outras coisas, a força capilar da estrutura porosa [10]. São importantes para o estudo da porosidade de um sistema:
• Percentual volumétrico;
• Tamanho e distribuição de tamanho de partícula; • Grau de arredondamento ou fator de forma.
Segundo Dunn e Reay (2005 p. 114), a força capilar da estrutura porosa aumenta com a diminuição do tamanho dos poros. Entretanto a permeabilidade, outra característica importante, diminui com a diminuição do tamanho dos poros. Assim, para estruturas porosas homogêneas, se faz necessário encontrar um ponto de tamanho de poro ótimo.
Em aplicações onde o fluxo do fluido via estrutura porosa ocorre no sentido horizontal pode-se fazer uso de um maior tamanho médio de partícula. Em contrapartida, onde a capilaridade é requerida contra a gravidade, pequenos tamanhos de partículas se fazem necessários. Não raro faz-se necessário o uso de estruturas capilares com tamanhos de poros não homogêneos, para suprir as necessidades de projetos como inclinação, dimensão, etc.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Os procedimentos experimentais relacionados a este trabalho foram realizados na Universidade Federal de Santa Catarina, no Laboratório de Tubos de Calor (LABTUCAL/ LEPTEN), no Laboratório de Materiais (LABMAT), no Laboratório de Caracterização Microestrutural (LCM) e no Laboratório de Análises Termofísicas (ATERMICAS) do Departamento de Engenharia Mecânica. Além disso, as análises de microscopia eletrônica em MEV foram realizadas no Laboratório de Materiais da empresa EMBRACO S.A.
Sabe-se que as propriedades dos materiais são determinadas pelas características atômicas e microestruturais dos materiais que o compõem. Essas características são influenciadas pela seleção das matérias-primas e pelo processo de fabricação [10].
Neste capítulo são apresentadas inicialmente as propriedades do cobre que será o material utilizado na construção do meio poroso para a câmara de vapor. Na seqüência, são apresentadas as principais características e propriedades dos três pós de cobre utilizados, seguidos de sua análise, técnicas de caracterização e a metodologia de análise dos resultados térmicos e visuais obtidos.
3.1 Cobre
O cobre é um elemento químico de símbolo Cu (Cuprum), número atômico 29 (29 prótons e 29 elétrons) e de massa atómica 63,6 uma1. À temperatura ambiente, o cobre
encontra-se no estado sólido e tem densidade teórica de aproximadamente 8,920 g/cm3. Sua
temperatura de fusão é de cerda de 1084ºC. É um metal bastante importante industrialmente, de coloração avermelhada, dúctil, maleável e bom condutor térmico e elétrico.
Sua condutividade elétrica merece especial menção por ter sido adotada pela Comissão Eletrotécnica Internacional em 1913 como base da norma IACS2.
3.1.1 Técnicas para a Caracterização da Matéria-Prima
Foram adquiridos três tipos de pós de cobre comerciais diferentes, analisados e fornecidos com laudo técnico pelo fornecedor. Foram denominados de PAC, PAQ e PAM. A
1 A unidade de massa atômica, ou dalton é uma unidade de medida de massa utilizada para expressar massas
atômicas e de compostos. Seu símbolo é u, uma ou Da, e a seguinte equivalência é válida: 1 u = 1,6605402(10) x 10-27 kg. Não é uma unidade do Sistema Internacional de Unidades, mas é aceita por este. É definida como um
doze avos da massa do carbono-12.
diferença entre eles são o tamanho e a distribuição do tamanho de partícula e as datas de fabricação.
3.1.1.1 Tamanho e distribuição do tamanho de partícula
O tamanho de partícula e a distribuição de tamanho de partícula têm um efeito significativo no comportamento de pós do metal durante o processamento. Assim a uma extensão considerável, governam as propriedades dos produtos finais feitos do pó. Conseqüentemente, a caracterização de tais propriedades é essencial.
Dentre vários métodos de análise desenvolvidos atualmente para analisar o tamanho de partícula e a sua distribuição, a análise de imagem e a análise granulométrica por peneiramento foram as utilizadas no trabalho, justamente por serem as mais usadas na indústria, as mais acessíveis e por atingirem um nível satisfatório de eficiência.
Na indústria de Metalurgia do Pó, o método tradicional e o mais extensamente usado para a determinação do tamanho de partícula é o peneiramento. As peneiras ou as telas são usadas não somente para a medida do tamanho de partícula, mas também para a separação dos pós em frações de diferentes granulometrias. A Tabela 2 apresenta relação entre o mesh da tela utilizada na peneira e o tamanho de partícula, em micrometro.
Tabela 2 – Conversão mesh-
tamanho do furo da peneira
Mesh μm 30 600 40 425 50 300 60 250 80 180 100 150 140 106 200 75 230 63 325 45 Fonte: ASTM E 11
Outros instrumentos de medição do tamanho de partícula são necessários para pós compostos por altas porcentagens de partículas com diâmetros menores que 400 mesh
(38µm), devido à coesão e as forças eletrostáticas de Van der Waals que fazem com que as partículas adiram à peneira, dificultando e até impossibilitando tais análises.
Há outros problemas inerentes como a forma da partícula que pode atrapalhar a caracterização das partículas que compõem os pós. Por exemplo, se um pó tiver uma forma irregular ou alongada, algumas das partículas passarão através da tela se estiverem posicionadas perpendicularmente ao peneiramento, enquanto outras que não têm esta orientação, não passarão. Mesmo se tiverem uma forma esférica, a informação obtida na seleção é limitada. Por exemplo, a designação -270 +325 para um pó indica que o pó passou através de uma malha de granulometria #270, mas não o passou através de uma malha de #325. Nenhuma informação está disponível sobre a distribuição real das partículas dentro desta faixa. A figura 18 apresenta uma ilustração da disposição das peneiras da analise granulométrica por peneiramento.
Figura 18 – Ilustração do processo de distribuição
granulométrica por peneiramento
No presente trabalho os pós de cobre foram caracterizados com o uso de microscópio eletrônico de varredura e o microscópio ótico. Pelas imagens obtidas no MEV pode-se analisar o tamanho e forma das partículas e comparar os três tipos de pós.
3.1.1.2 Técnicas Termoanalíticas
As técnicas termoanalíticas são técnicas de caracterização térmica, empregadas quando se tem o objetivo de medir algumas propriedades físicas de materiais ou substâncias que sofrem variações em função da temperatura.
A amostra é submetida a um programa de aquecimento e/ou resfriamento que induz a uma variação nas suas propriedades. Esse comportamento é registrado em uma curva termoanalítica que serve como base para a análise.
Com tal técnica é capaz de se obter dados referentes a cinética de reação, reações de decomposição, mudanças de fase, estabilidade térmica, temperatura de fusão e mudanças no coeficiente de expansão, na estrutura e na organização estrutural da amostra.
No presente trabalho, as amostras foram caracterizadas através das técnicas de análise térmica diferencial (DTA)3, análise termogravimétrica (TG) e dilatometria (DIL). Os resultados destas análises serão apresentados na próxima seção. As análises de DTA e TG foram realizadas em um equipamento STA 409c da empresa alemã NESTZCH e em um dilatômetro RB-115 da BP Engenharia, ambos operando em uma faixa de temperatura de até 1600 ºC, com uma taxa de aquecimento de 10 ºC/ minuto.
3.2 Processamento dos Pós Metálicos
Com o objetivo de uniformizar a densidade a verde foram compactadas amostras por prensagem uniaxial em uma prensa hidráulica com pressão de aproximadamente 200MPa. Após compactação as dimensões da amostras resultaram em 7,8mm de altura e 4,7mm de raio. Foram preparadas 5 amostras para cada tipo de pó e para cada temperatura de sinterização utilizada, totalizando 90 amostras.
Foram realizados seis ciclos de sinterização. Em cada ciclo foram utilizadas 5 amostras compactadas de cada um dos tipos de pó. Todos os ciclos seguem os mesmos parâmetros: 20 ºC/minuto de taxa de aquecimento e permanência de 1 hora no patamar de temperatura desejado. Os patamares de temperaturas máximas foram de 300, 400, 500, 600, 700 e 800 ºC.
As amostras foram sinterizadas em um forno Jung com capacidade de aquecimento até 1200 ºC e em uma atmosfera controlada, com 5% de Hidrogênio4.
3.3 Técnicas para a Caracterização dos Pós Sinterizados
3.3.1 Densidade Aparente (ρa)Para a determinação da densidade aparente das amostras sinterizadas, utilizou-se a técnica da imersão em água destilada, uma variação da Norma MPFI Standard 42 (1997) [11].
3 Differential Thermal Analysis 4 Atmosfera de Hidrogênio (H
Foi utilizada uma balança com 0,0001 de sensibilidade, localizada no Laboratório de Análises Termofísicas do LABMAT/ UFSC. A metodologia do ensaio foi:
1. Determinar a massa da amostra seca: Massa A;
2. Imergir a amostra em água fervente (100°C) por 4 horas;
3. Remover o excesso de água da amostra com um pano e pesar a amostra: Massa B; 4. Pesar a amostra submersa e suspensa por uma cesta padronizada: Massa C; 5. Remover a amostra e pesar a cesta padronizada: Massa E.
6. Medir a temperatura da água e apartir da tabela 3 de conversão, determinar a densidade da água;
7. Calcular a densidade aparente com a seguinte fórmula:
Onde ρa é a densidade aparente e ρw é a densidade da água, que varia conforme a
temperatura ambiente. Segue tabela de relação da densidade da água em função da temperatura:
Tabela 3 – Efeito da Temperatura sobre
a densidade da água Temperatura (ºC) ρw (g/cm3) 15 0,9991 16 0,9989 17 0,9988 18 0,9986 19 0,9984 20 0,9982 21 0,9980 22 0,9978 23 0,9975 24 0,9973 25 0,9970 26 0,9968 27 0,9965 28 0,9962 29 0,9959 30 0,9956
3.3.2 Densidade Geométrica (ρg)
É obtida apenas como parâmetro de comparação com a densidade aparente. Sua realização é a mais simples das três realizadas neste trabalho. Calcula-se a densidade geométrica através da razão da massa sobre o volume da amostra. Tem-se o valor da massa do sinterizado seco e o valor do volume, calcula-se com medidas adquiridas com um paquímetro.
3.3.3 Densidade Teórica (ρth)
A densidade teórica de alguns materiais sinterizados foi determinada através da técnica de picnometria de hélio. Esta que é uma técnica baseada em duas frentes: no princípio de Archimedes para deslocamento de fluidos e na Lei de Boyle para determinação do volume. Seu funcionamento é baseado na penetração de gás na amostra. O gás utilizado deve apresentar pequenas dimensões atômicas para poder penetrar inclusive nos menores e mais finos poros, aumentando a precisão do método. Por essa razão, o hélio é recomendado, uma vez que seu raio atômico é tão pequeno que penetra entre cavidades e poros com dimensões de aproximadamente 1 Angstrom.
Os cálculos de picnometria são baseados na Equação de Clapeyron para gases perfeitos, também chamada de equação de estado de um gás. Sua expressão matemática é P.V= n R T, onde R a constante universal dos gases perfeitos, n é o número de moles do gás que ocupa o volume V da câmara a uma pressão P e a uma temperatura T em kelvin.
O princípio de funcionamento da picnometria é o preenchimento do porta-amostra com hélio, a uma determinada temperatura, tendo como resultado uma determinada pressão. Coloca-se no porta-amostra o corpo de prova, com massa conhecida e preenche o volume desse com gás hélio até uma pressão de aproximadamente 17psi (1,13 x 105Pa) acima da ambiente. A seguir conecta-se a válvula à célula, o que fará a pressão cair, obtendo outro valor de pressão.
Para a presente análise, fez-se essa medição de densidade 5 vezes para cada amostra, utilizando as 3 últimas para os cálculos.
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 Caracterização dos Pós Metálicos
A seguir, serão apresentados os resultados das caracterizações realizadas nos pós de cobre utilizados neste trabalho.
4.1.1 Distribuição granulométrica por peneiramento
Como comentado no capítulo anterior, foram adquiridas para este trabalho três amostras comerciais de pó de cobre com diferentes distribuições de tamanhos de partículas. A tabela 4 apresenta as malhas usadas na análise granulométrica por peneiramento vibratório e o percentual de pó retido em cada uma dessas malhas.
Tabela 4 – Características dos pós de cobre
Característica PAC PAQ PAM
Densid. Aparente (g/cm3) 2,78 2,85 2,77 Escoamento (seg./50g) 0 0 27 Acima malha # 80 (%) 0 0 0 Acima malha # 100 (%) 0 0 1,11 Acima malha # 150 (%) 0 0 5,14 Acima malha # 200 (%) 0 4,79 13,06 Acima malha # 250 (%) 0 0 13,49 Acima malha # 325 (%) 6,15 20,6 20,45 Abaixo malha #325 (%) 93,85 74,61 46,75
Como pôde ser observado na tabela 4, o pó denominado PAC é o pó com maior percentual de partículas finas, comparativamente, com apenas 6,15% de material retido na peneira #325. O restante do pó ficou acumulado no fundo. Para visualização gráfica da distribuição granulométrica dos 3 pós de cobre comerciais, seguem as figuras 19, 20 e 21.
Figura 19 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAC
Figura 20 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAQ
O pó PAM, comparativamente, é o que possui menor percentual de partículas finas (46,75%) enquadrando-se como o pó mais grosso entre as três opções.
Figura 21 – Distribuição granulométrica, por peneiramento, do pó comercial PAM
Por pertencerem a diferentes faixas de distribuição granulométrica, estes pós terão diferentes respostas quando submetidos a testes e análises. Porém com um tipo de caracterização como esta, ficará mais fácil compreender alguns diferentes comportamentos dos pós nas próximas etapas de caracterização
4.1.2 Análise de Imagem
Os microscópios ótico e eletrônico foram usados para observar e medir o tamanho e analisar a forma das partículas dos três pós. Foram obtidas imagens em diversas regiões da amostra, com o objetivo de diminuir o erro que poderia ser acarretado, por exemplo, pela distribuição heterogênea dos pós.
Serão apresentadas a seguir, duas micrografias para cada um dos três pós de cobre – com aumentos de 40 e 200vezes (Figura 22). A razão desses relativos baixos aumentos de imagem, deve-se a necessidade de observação das amostras de uma forma geral.
Figura 22 – Micrografias das três amostras de pó de cobre: A1) PAC 40x; A2) PAC 200x; B1) PAQ 40x; B2)
PAQ 200x; C1) PAM 40x e C2) PAM 200x
Tendo como objetivo a análise comparativa das imagens, as seis fotos foram agrupadas em uma única figura. Essa união facilita a comparação do tamanho das partículas5.
As fotos confirmam o que havia sido indicado pela distribuição granulométrica por peneiramento: o pó PAC possui maior porcentagem de finos, o PAQ é um pó com tamanhos de grãos intermediários e com granulometria melhor distribuída e o PAM possui partículas maiores e mais grosseiras, comparado aos demais pós.
4.1.3 Análise Térmica Diferencial (DTA)
Este ensaio tem como principal objetivo detectar as temperaturas das reações térmicas envolvidas e caracterizá-las como endotérmicas e exotérmicas, reversíveis ou irreversíveis. Este tipo de informação, bem como sua dependência em relação a uma atmosfera específica, que no caso em questão foi hidrogênio, fazem deste método uma importante ferramenta para determinar alguns parâmetros do ciclo de sinterização.
As três curvas apresentadas no gráfico da figura 23, obtidas a partir da Análise Térmica Diferencial, mostram que apesar de terem distribuições de tamanho de partículas (DTP) diferentes, o ponto de fusão dos três pós é o mesmo, representado por um pico exotérmico a aproximadamente 1084 ºC. Esse teste mostra que a DTP não influencia no ponto de fusão, pois esta é uma propriedade intrínseca do material.
5 Todas as fotos microscópicas apresentadas na figura 22 estão em anexo no final do trabalho, para facilitar a
Figura 23 – Análise térmica diferencial das amostras de cobre.
4.1.4 Análise Termogravimétrica (TG)
Termogravimetria é a técnica na qual a mudança da massa de uma amostra (nesse caso, em atmosfera redutora de hidrogênio) é medida em função da temperatura enquanto esta é submetida a uma programação controlada.
Dentre as inúmeras aplicações da termogravimetria, a única que interessa para este trabalho é a identificação do percentual de perda de massa com o aumento da temperatura. Desta forma, como pode ser observado no gráfico da figura 24, as três amostras de cobre sofrem redução de massa com o acréscimo da temperatura.
Figura 24 – Termogravimetria das amostras de cobre
Analisando o gráfico da figura 24, percebe-se que o percentual de perda de massa é muito pequeno – entre 0,2 e 0,35% nas máximas temperaturas do ensaio. Partindo do princípio, segundo o qual o ensaio foi realizado em atmosfera de hidrogênio, supõe-se que essa baixa perda de massa refere-se à redução dos óxidos das amostras. O pico no início do teste representa um ruído no equipamento.
As diferenças de perda de massa para as amostras de pó de cobre têm como suposta causa a data de fabricação e a estocagem dos pós: PAC – 16/09/2006; PAQ – 07/10/2006; e PAM – 20/10/2006. Como já comentado, os percentuais de perda de massa apresentados no gráfico são referentes à redução dos óxidos. Segundo o fabricante, depois de produzidas as amostras ficaram estocadas por períodos de tempo diferentes. Com isso as reações de oxidação ocorreram em diferentes intensidades nas três amostras.
4.1.5 Dilatometria
A dilatometria é destinada à avaliação das transformações de fases dentro do estado sólido, que são caracterizadas pelo acompanhamento das mudanças nas propriedades físicas. Estas podem ser observadas pela alteração das dimensões da amostra.
É uma ferramenta muito importante para a obtenção de dados para o desenvolvimento de ciclos de sinterizações, tais como, temperatura de início de formação da fase líquida, transformação de fases, expansões térmicas lineares e volumétricas, dentre outros.
Figura 25 – Dilatometria das amostras de cobre
A variação dimensional registrada no dilatômetro é o somatório de todos os componentes envolvidos durante a fase de aquecimento e sinterização isotérmica dos compactados de pós (todas as reações acompanhadas de variação dimensional). Até a temperatura de aproximadamente 600 graus Celsius, ocorre variação predominante positiva que é causada pela dilatação térmica e outros fenômenos acompanhados de expansão, como a expansão freqüentemente ocasionada pela separação de contatos obtidos na compactação. Esses fenômenos acontecem em decorrência de tensões na fase inicial do aquecimento. Tal expansão pode também ocorrer quando o potencial químico de oxigênio na atmosfera for maior do que o equilíbrio entre óxido e metal, para a faixa de temperatura. Com isso, em temperaturas mais elevadas ocorre uma oxidação parcial do compactado, onde a estabilidade termodinâmica dos óxidos é menor. Essa oxidação gera uma redução das películas de óxido formadas no aquecimento. Assim, para temperaturas de sinterização maiores (no caso acima de 600 graus Celsius), começa a predominar a retração por sinterização (componente negativa, diminuição da porosidade).
A contração é um fator extremamente importante na construção da câmara de vapor. Com o aumento da temperatura as partículas tendem a se unir (formam continuidade de matéria nos contatos), diminuindo a porosidade do compactado. Esse processo de união gera uma contração no corpo poroso, visto que a massa permanece constante. Assim, um material sinterizado a altas temperaturas, no qual ocorre maior retração, tende a ter menor porosidade residual. No entanto, quando ocorrem falhas em função da retração ser desuniforme ao longo do volume, ou por que ocorreram falhas de massa no enchimento da forma, estas são maiores não só devido ao coalescimento dos poros no estágio avançado da sinterização, mas também devido à maior retração. Segue figura para facilitar a compreensão:
Figura 26 – Comportamento das partículas em função
do ciclo de sinterização
Assim, observando apenas a análise da variação dimensional na sinterização, conclui-se que conclui-seja mais interessante um ciclo de sinterização a baixas temperaturas, para a construção da câmara de vapor. Com isso, as amostras terão menor contração, o que diminui a chance de formação de defeitos na sinterização direta em cima de substratos densos, bem como, mantém maior porosidade no corpo sinterizado, elemento fundamental para o corpo poroso em desenvolvimento.
Vale ainda ressaltar, observando o gráfico, que o pó PAQ, pela sua distribuição de tamanho de partícula, tem uma menor contração. Este fenômeno ocorre, pois existem partículas pequenas entre as maiores, o que aumenta o empacotamento e diminui consideravelmente a porosidade.
4.2 Caracterização dos Materiais Sinterizados
Nesta seção do trabalho, serão apresentados os resultados obtidos em testes realizados após a compactação e sinterização dos pós de cobre.
4.2.1 Porosidade
A porosidade total da amostra é proporcional à razão do volume de poros pelo volume total do corpo. É uma propriedade dependente da densidade do material.
A porosidade total foi determinada comparando a densidade aparente (ρa) da amostra
(peso total/ volume total incluindo poros) com sua densidade teórica (ρth) (peso total/ volume
do sólido sem poros), através da equação:
P (%) = 100 [1-( ρa / ρth )]
Assim, obteve-se um gráfico de Porosidade x Temperatura, para os corpos de prova sinterizados com os três pós, conforme apresentados na figura 27.
Figura 27 – Relação entre a porosidade e temperatura
de sinterização das amostras de cobre compactadas.
Pode ser observado, tanto na figura 27 quanto na 25, que nas menores temperaturas de sinterização ocorreu expansão das amostras. Para temperaturas acima de 600 graus Celsius, predomina o fenômeno de retração, diminuindo a porosidade. A cinética de sinterização é
aumentada com o aumento da temperatura pois o mecanismo predominante de transporte de matéria no caso da sinterização do cobre puro é a difusão e esta cresce com a temperatura.
Outro ponto importante que pode ser observado na figura 27 é a faixa de variação da porosidade – de 19 a 31%. Esta faixa é estreita, se comparado com larga faixa de temperaturas de sinterização estudada e decorre da já elevada densidade a verde dos compactados. Observa-se ainda que, como a pressão de compactação utilizada foi a mesma para todos os tipos de pós (200 MPA), obtiveram-se densidades à verde muito distintas nas amostras, sendo que as compactadas com os pós mais grosseiros apresentam também maior densidade a verde. Com pressões menores do que esta, os corpos compactados não possuíram resistência a verde suficiente para a extração e o manuseio, não se mantendo intactas.
Esta estreita faixa de variação de resultados, porém, não serve de empecilho para a análise das porosidades e temperaturas. Assim pode-se avaliar o desempenho individual dos pós nas seis temperaturas de sinterização diferentes: possivelmente a temperatura mais adequada entre as experimentadas é a de 600 ºC, pois nesta temperatura as amostras já ultrapassaram a região onde ocorre inchamento (expansão) e já está ocorrendo predominância de retração, levando a formação de contatos de sinterização mais efetivos e, provavelmente, resistência suficiente da camada porosa para a aplicação pretendida. No entanto, isto só pode ser confirmado após testes para verificar a resistência dos sinterizados e, no caso particular da câmara de vapor, da adesão da camada porosa ao substrato em função de sinter bonding.
5. CONCLUSÕES
A realização deste trabalho de pesquisa permitiu concluir que:
a) A sinterização foi uma etapa essencial da pesquisa. Os resultados dos diferentes ciclos realizados e das propriedades intrínsecas das três amostras de pó de cobre comprovaram tal afirmação.
b) Através do gráfico de porosidade em função da temperatura de sinterização Foi possível determinar quais as melhores faixas de sinterização para cada pó e qual dos materiais alcançou a melhor porosidade. A identificação de tais propriedades é desejada, pois é diretamente proporcional à eficiência da estrutura porosa que tem de ser construída na câmara de vapor.
c) Pela figura 27, a amostra que obteve melhor resultado de porosidade foi a PAQ com um ciclo de sinterização de uma hora a 500 ºC, seguido da PAM com ciclo também de uma hora a 400 ºC e por fim a PAC, que semelhante a PAQ obteve seu melhor resultado a 500 ºC. Para todas as amostras a pressão de compactação utilizada foi de 212MPa. Porém, vale ressaltar que tais valores de porosidade foram obtidos durante o inchamento da amostra na sinterização. Possivelmente podem ter esse percentual aumentado, para as três amostras, se a sinterização for realizada em um patamar de 600 ºC. Tal comportamento ocorre devido a retração do pó após seus máximos valores de porosidade e pode inclusive aumentar os contatos entre partículas, dando maior resistência à estrutura porosa devido a maior difusão de matéria.
d) Fatores como o custo de matéria-prima e energia elétrica utilizada na sinterização são de extrema importância, pois tornam muito mais rápida e econômica a construção do dispositivo. Assim, com um teste de absorção de água por imersão da amostra e com um teste de inclinação desta, ter-se-á a real idéia da diferença de força capilar que as três amostras possuem. Caso esta diferença seja mínima, não haverá problemas em optar pelo pó mais barato e/ ou pelo ciclo de sinterização mais econômico.
e) Além do ciclo de sinterização e da pressão de compactação, não se pode esquecer de relacionar os resultados com a diferença intrínseca dos pós: as distintas distribuições de tamanho de partícula. Dos três pós, o que obteve melhores resultados foi o PAQ, que possuía distribuição de tamanho de partículas com várias partículas pequenas entre as grandes. Isso ocorreu em função das partículas pequenas se acomodarem facilmente entre as grandes, facilitando a sinterização e obtendo poros menores e em maiores quantidades.
