Livro de resumo - IEAv
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Livro de resumo - IEAv
ISSN 2238-5851 Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados São José dos Campos – SP 2013 Volume 1 – Ago/2012 – Jul/2013 © 2013 Instituto de Estudos Avançados – IEAv Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte. A publicação inclui os trabalhos apresentados no II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados. II SCTI, 24 e 25 de Junho de 2013. Publicado por: Instituto de Estudos Avançados – IEAv Endereço: Trevo Coronel Aviador José Alberto Albano do Amarante, n◦1 - Bairro Putim CEP 12228-001 São José dos Campos - São Paulo - Brasil Tel. (12) 3947-5360/ Fax. (12) 3944-1177 www.ieav.cta.br Informações adicionais sobre o IEAv podem ser obtidos com a Coordenadoria de Comunicação Social – CCS. Tel. (12) 3947-5360, [email protected]. Editores: Dr. Getúlio de Vasconcelos – EFO Dr. Ruy Morgado de Castro (coordenador) – EGI Dr. Abel Antonio da Silva – ENU Dr. Elcio Hideiti Shiguemori – EGI Dr. Ademar Muraro Junior - EFA Dr. Mauricio Antoniazzi Pinheiro Rosa – EAH Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite – EST Rosilene Maria de Mendonça da Costa Daniele Cristina Chagas Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados. - vol.1 (ago/2012 – jul/2013) - São José dos Campos. IEAv, 2013 Anual ISSN 2238-5851 Inclui: Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados - II SCTI – IEAv/DCTA, 24 e 25 de Junho de 2013. 1. Iniciação Científica e Pós-Graduação – Simpósio. 2. Pesquisa Científica. 3. Ciência e Tecnologia. 4. Desenvolvimento Tecnológico. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.2, 2013 2 II SCTI 2013 II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Volume 1 – Ago/2012 – Jul/2013 São José dos Campos – SP 2013 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.3, 2013 3 Instituto de Estudos Avançados – IEAv Direção Cel Av Vilson Rosa de Almeida Diretor do IEAv (EDR) Ten Cel Av Mauricio Pozzobon Martins Vice-Diretor Administrativo (EVA) Dr Osvaldo Catsumi Imamura Vice-Diretor Técnico (EVT) Comissão Organizadora do SCTI Comitê Institucional PIBIC-PIBITI/IEAv Dr. Ruy Morgado de Castro (coordenador) – EGI Dr. Abel Antonio da Silva – ENU Dr. Elcio Hideiti Shiguemori – EGI Dr. Getúlio de Vasconcelos – EFO Dr. Ademar Miraro Junior – EFA Dr. Mauricio Antoniazzi Pinheiro Rosa – EAH Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite – EST Comissão Científica Dr. Ruy Morgado de Castro (coordenador) – EGI Dr. Abel Antonio da Silva – ENU Dr. Elcio Hideiti Shiguemori – EGI Dr. Getúlio de Vasconcelos – EFO Dr. Ademar Miraro Junior – EFA Dr. Mauricio Antoniazzi Pinheiro Rosa – EAH Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite – EST Realização Apoio II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.4, 2013 4 Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados Volume 1 – 2013 Sumário Editorial .................................................................................................................................................................. 8 O Evento ................................................................................................................................................................. 9 ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA ................................ 10 TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE DE FERRO REVESTIDO COM GRAFITA COM LASER A FIBRA ... 14 ESTUDO DA EFICIÊNCIA DO CICLO PDE .................................................................................................... 16 ANÁLISE DE PARÂMETROS EM MOAGEM DE ALTA ENERGIA ............................................................. 22 INTERROGADOR ÓPTICO DE GRADES DE BRAGG ................................................................................... 28 AVALIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA E DA POROSIDADE TOTAL DO CARBONO VÍTREO COMPACTADO UTILIZANDO O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES E O IMAGE J ........................................ 33 O MÉTODO ELEMENT-FREE GALERKIN: APLICAÇÃO EM NANO-DISPOSITIVOS A POÇOS E PONTOS QUÂNTICOS ...................................................................................................................................... 39 ESTUDO DE COMPONENTES DE INTERFERÔMETRO NO INFRAVERMELHO ..................................... 45 ANÁLISE DA PERMISSIVIDADE ELÉTRICA NA BANDA S E DAS MICROESTRUTURAS DE AMOSTRAS POLICRISTALINAS DE CoFe2O4 ................................................................................................ 50 WEBQUEST COMO FERRAMENTA DE APOIO A ALUNOS NA APRENDIZAGEM DE SENSORES E ATUADORES ..................................................................................................................................................... 56 COMPARAÇÃO DA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO PRODUZIDO COM DIFERENTES MATERIAIS CATALISADORES .............................................................................................. 61 CARACTERIZAÇÃO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE DE CARBONO VÍTREO IRRADIADOS A LASER .............................................................................................................................................................................. 65 DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ESPELHOS SOBRE O CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO ..... 70 ESTUDO TERMOCINÉTICO DAS REAÇÕES DO METANOTIOL COM OS ÁTOMOS DE OXIGÊNIO E ENXOFRE ............................................................................................................................................................ 75 SISTEMA EMBARCADO PARA CONTROLE DE GIMBAL DE ESTABILIZAÇÃO DE CAMERA EM UM VANT ................................................................................................................................................................... 80 ANÁLISE DE TÉCNICAS DE RECONHECIMENTO DE PADRÕES BASEADAS EM TEXTURA APLICADAS EM IMAGENS ÁEREAS .............................................................................................................. 85 IMPLANTAÇÃO DA DOSIMETRIA DE ALTAS DOSES GAMA COM O DOSÍMETRO TERMOLUMINESCENTE TLD-800 .................................................................................................................. 92 BIOCORROSÃO EM AÇO 300M CARBONETADO A LASER ....................................................................... 98 ESTUDO DA AERODINÂMICA INTERNA EM EQUIPAMENTOS DE ENSAIO EM SOLO PARA PESQUISA DE ESCOAMENTOS HIPERSÔNICOS E DA COMBUSTÃO SUPERSÔNICA ....................... 102 RECONHECIMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS AÉREAS .................................................................... 108 ODOMETRIA VISUAL PARA APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS .......................................................................................................................................... 114 TRATAMENTO SUPERFÍCIAL DE AÇO INOXIDÁVEL POR MÉTODOS A LASER DE CO 2 ................. 119 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.5-7, 2013 5 ROTINA COMPUTACIONAL PARA CÁLCULO DE PERMEABILIDADE E PERMISSIVIDADE COMPLEXAS DE AMOSTRAS POSICIONADAS EM LINHAS COAXIAIS ............................................... 125 APLICAÇÃO DA REDE PERCEPTRON DE MÚLTIPLAS CAMADAS NO PROCESSAMENTO DE IMAGENS AÉREAS .......................................................................................................................................... 131 USO DO DESCRITOR ORB PARA LOCALIZAÇÃO DE OBJETOS MÓVEIS EM IMAGENS OBTIDAS POR VANT ......................................................................................................................................................... 135 FERRITA DE COBALTO BÁRIO PARA APLICAÇÃO EM ECAPSULAMENTO DE SENSORES ............ 141 ANÁLISE DA TÉCNICA DE CANCELAMENTO PASSIVO EM CILINDRO COM FENDA UTILIZANDO O MÉTODO FDTD ................................................................................................................................................ 145 ESTUDOS PRELIMINARES SOBRE AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM SISTEMAS EMBARCADOS EM AERONAVES ............................................................................................. 151 SISTEMAS CERÂMICOS FERROELÉTRICOS ISENTOS DE CHUMBO KSN – CuO: MICROESTRUTURA, PROPRIEDADES ÓPTICAS E APLICAÇÃO ............................................................ 157 MAPEAMENTO DE ESPÉCIES QUIMIOLUMINECENTES PARA APLICAÇÃO EM TÚNEIS DE CHOQUE HIPERSÔNICOS .............................................................................................................................. 163 SOFTWARE PARA CÁLCULO DO VALOR DA INFORMAÇÃO ................................................................ 168 IMPLEMENTAÇÃO DO EFEITO DA NÃO-PARABOLICIDADE DA ENERGIA NA APROXIMAÇÃO DE MASSA EFETIVA DE MATERIAIS SEMICONDUTORES NO QWS ........................................................... 173 APLICAÇÃO DE MÉTODOS TEÓRICOS NA DETERMINAÇÃO DAS ESTRUTURAS, POTENCIAL DE IONIZAÇÃO E ELETROAFINIDADE DOS AGREGADOS DE Mgnx (n = 1 - 7, x = 0, ± 1) ......................... 179 FERRITAS CuxCo1-xFe2O4 - EFEITOS DA VARIAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA NO COMPORTAMENTO ELETROMAGNÉTICO ..................................................................................................................................... 185 ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE AÇOS AERONÁUTICOS SUBMETIDOS A DIFERENTES TRATAMENTOS TÉRMICOS .......................................................................................................................... 190 DETERMINAÇÃO DA FOTOCORRENTE EM DISPOSITIVOS DETECTORES DE INFRAVERMELHO BASEADOS EM POÇOS QUÂNTICOS ........................................................................................................... 195 DETECÇÃO DE PISTA DE POUSO DE CONCRETO OU ASFALTO EM IMAGENS DE MÉDIA E ALTA RESOLUÇÃO UTILIZANDO FEIÇÕES HAAR-LIKE EM CASCATA ......................................................... 201 ESTUDO DA REFLECTÂNCIA DE MATERIAIS NA REGIÃO DO VISÍVEL E INFRAVERMELHO PRÓXIMO DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO....................................................................................... 206 CARACTERIZAÇÃO DA DETONAÇÃO PULSADA POR EMISSÃO COM RESOLUÇÃO TEMPORAL 212 DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA VANT PARA SER UTILIZADA EM TESTE COM O PILOTO AUTOMÁTICO PITER ....................................................................................................................... 218 AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS DE POLITEREFTALATO DE ETILA OU PET REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO COMO SUBSTITUTO AO AÇO EM PAVIMENTAÇÃO EXPOSTA AO TEMPO ..................................................................................................................................... 224 ESTUDO DO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO A PLASMA EM CHAPA DE Ti-6Al-4V SOLDADA COM LASER A FIBRA ............................................................................................................................................... 228 MICROESTRUTURAS PERIÓDICAS INDUZIDAS POR LASER EM SUPERFÍCIES DE AÇO INOX AISI304 ............................................................................................................................................................... 230 ESTUDO DA TEMPERATURA NUMA CHAMA PRÉ-MISTURADA DE GLP/O2/AR PELA TÉCNICA LIF DO RADICAL CH.............................................................................................................................................. 232 AUTOMATIZAÇÃO DOS APARATOS EXPERIMENTAIS DE CARACTERIZAÇÃO ELETRO-ÓPTICA 234 DESENVOLVIMENTO DE FORNO DE INDUÇÃO PARA PRENSAGEM A QUENTE DE CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO ........................................................................................................................... 236 ADEQUAÇÃO DAS DIMENSÕES DO ÓXIDO DE COBRE SINTERIZADO PARA ANÁLISE ELETROMAGNÉTICA ..................................................................................................................................... 238 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.5-7, 2013 6 ANÁLISE DA FORMAÇÃO DE POROSIDADE INTRAGRANULAR DE FERRITAS Ni-Zn ..................... 240 CARACTERIZAÇÃO INICIAL DE UM CANHÃO DE ELÉTRONS BASEADO EM UM PSEUDOSPARK 242 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE FERRITAS DE COBALTO PARA APLICAÇÕES EM SENSORES AEROESPACIAIS ............................................................................. 244 PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO DE UM COMPÓSITO CERÂMICO À BASE DE FERRITA E TITANATO DE BÁRIO ..................................................................................................................................... 246 ESTUDO DE FRAMEWORKS DE METAHEURÍSTICAS ............................................................................. 248 Índice de autores ................................................................................................................................................. 250 Art.0 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.5-7, 2013 7 Editorial Desde sua inauguração há 31 anos, o Instituto de Estudos Avançados, considera a formação de recursos humanos qualificados, como um de seus objetivos. Com esta visão, a iniciação científica e tecnológica sempre foi considerada como parte integrante das atividades deste Instituto. É através dela que os alunos têm a oportunidade de entender e praticar o método científico, exercitar sua criatividade, aperfeiçoar o seu espírito crítico, perceber e aprender a respeitar os seus limites e os das pessoas ao seu redor, além de estimular os alunos de graduação a ingressarem em programas de pós-graduação e impulsionando, desde cedo, as suas carreiras científicas. No início de sua vida e por alguns anos que se seguiram, o IEAv conseguiu manter um quadro de pesquisadores em fase de formação, efetuando o pagamento de bolsas, através de recursos próprios da instituição. Porém naquela época, as prioridades das pesquisas científicas estiveram atreladas a decisões políticas imediatistas que levaram às grandes dificuldades, não apenas na manutenção dos projetos, como também no incentivo aos trabalhos de iniciação científica. Felizmente esta época começa a declinar. Para solucionar este problema, ocorreram algumas tentativas individuais para obtenção de quotas institucionais de bolsas de iniciação científica, infelizmente sem êxito. Em 2005, através da maciça participação dos pesquisadores, solicitou-se novamente ao CNPq a concessão de quotas. No ano de 2006, fomos contemplados com 10 quotas de bolsas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Cientifica (PIBIC) e nesses últimos anos conseguimos aumentar nossa quota de bolsas, atingindo em 2012, 26 bolsas. Além disso, em 2011 fomos contemplados com 03 cotas de bolsas do Programa Institucional de Bolsas de Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (PIBITI). Inicialmente, com a finalidade de satisfazer as exigências de avaliação do programa de iniciação científica pelo CNPq, propôs-se a realização do I Seminário de Iniciação Científica do IEAv, em 2007. Pela resposta interna dos pesquisadores, percebeu-se que o interesse na realização deste evento era muito maior do que apenas mobilizar os alunos que possuíam bolsas institucionais de iniciação científica do PIBIC-CNPq. Mostraram interesse em participar, vários alunos que desenvolveram atividades de iniciação científica no IEAv e também os alunos que cursavam a pós-graduação no Instituto, sejam elas incentivadas por outros órgãos de fomento ou mesmo por voluntariedade. Como se tratava de um evento exclusivo de Iniciação Cientifica, somente no ano de 2009 passou-se a receber as contribuições dos alunos de pós-graduação do Instituto. Em virtude do grande número de alunos de pós-graduação e também pelo fato da aprovação da pós-graduação no IEAv, neste ano estamos também realizando o II SCTI que engloba não só os trabalhos dos alunos do programa PIBIC e PIBITI do IEAv, mas também os alunos da nossa Pós-Graduação. Acreditamos que a realização deste segundo simpósio de ciência e tecnologia demonstra a grande responsabilidade com a manutenção e a condução do PIBIC, do PIBITI e da PósGraduação representam para nossa Instituição. Agradecemos o apoio recebido da Direção do Instituto, das Comissões Internas e Externas envolvidas neste processo e das agências de fomento e empresas que, possibilitaram a realização deste II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv. Comissão Organizadora do II SCTI 2013. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.8, 2013 8 O Evento Este é o II SCTI Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, que acontece em São José dos Campos nos dias 24 e 25 de junho de 2013. O II SCTI 2013 tem como objetivo apresentar e discutir com a comunidade, os trabalhos desenvolvidos pelos alunos de graduação de diversas universidades e da Pós-Graduação do IEAv, junto aos projetos da Instituição. O evento será composto por palestras de curta duração, nas quais serão apresentados os trabalhos de pesquisa cientifica e tecnológica desenvolvidos pelos alunos durante o ano. Haverá também uma sessão de pôsteres, onde ficarão expostos os trabalhos durante todo o evento. Os trabalhos de iniciação científica, de desenvolvimento tecnológico e de pós-graduação estão dentro das áreas de atuação da Instituição: Aerotermodinâmica e Hipersônica, Energia Nuclear, Física Aplicada, Fotônica e Geointeligência. Para o II SCTI foram inscritos 66 trabalhos de pesquisa que depois de revisados por uma comissão cientifica, 52 foram considerados aceitos para publicação neste periódico. Os trabalhos deste fascículo são resultados dos projetos de iniciação cientifica desenvolvidos por alunos ligados às universidades próximas e da região do Vale do Paraíba. A maioria dos alunos que participarão deste evento contou com o apoio financeiro das agências de fomento: PIBIC-PIBITI/CNPq e FAPESP. Nesta edição do SCTI, em razão da qualidade dos trabalhos dos nossos alunos e do crescente aumento do número de contribuições, superior a 20% em relação ao I SCTI 2012, realizado no ano anterior, manteve-se o registro do nosso caderno de publicações junto ao Centro Brasileiro do ISSN (CBISSN). Outro fator que também nos motivou foi à contribuição dos alunos participantes do programa de pós-graduação, orientados por nossos pesquisadores. Desta forma, a criação de um periódico do IEAv, vem a satisfazer e atender aos anseios da publicação dos trabalhos de nossos alunos de pós-graduação e iniciação científica, sendo esta uma oportunidade ímpar, de reunir em uma única publicação, os muitos dos trabalhos desenvolvidos aqui no IEAv. Frente ao novo perfil de nossa publicação, uma comissão composta por membros participantes do Programa de Pós-Graduação do IEAv foi reunida, junto com a comissão do Programa PIBIC e PIBITI e decidiu-se registrar no ISSN (Internatinal Standard Serial Number) com o título SCTI – Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados. Esse novo perfil, naturalmente adquirido, tendo em vista as colaborações científicas recebidas pela comissão do II SCTI, abrangerá trabalhos técnicos científicos de diferentes níveis de formação de recursos humanos, não só os de iniciação científica anteriormente previsto. Esperamos que a forma com que foi organizado, o II SCTI possa oferecer à comunidade científica do IEAv, em especial aos alunos que desenvolvem trabalhos de iniciação científica e pós-graduação, um evento agradável, no qual se possa conhecer uma parcela da pesquisa realizada atualmente na Instituição, e que ainda possa haver uma reflexão dos participantes quanto aos eventos futuros. Comissão Organizadora do II SCTI 2013. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.9, 2013 9 ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA 1 1 G. C. C. Correard 1*; M. S. F. Lima 1 Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: aços avançados de alta resistência, aços TRIP, ensaio de tração, ensaio de flexão, soldagem a laser. Introdução Aços avançados de alta resistência (AHSS) estão despontando como uma nova classe de materiais para aplicações nas áreas automotiva, petroquímica e aeroespacial. Tais aços têm aplicações diversas, principalmente, associados à redução de peso de componentes de estruturas metálicas e dinâmicas. Esses aços, em geral, são compostos de muitos microconstituintes como ferrita, bainita, martensita e austenita retida [1]. Esta microestrutura é considerada complexa para soldagem, principalmente quando a zona termicamente afetada (ZTA) é muito grande. Uma das opções para se minimizar os efeitos térmicos indesejáveis da soldagem convencional é a utilização de soldagem a laser, que oferece a vantagem da solda com mínima zona afetada termicamente. O objetivo do presente trabalho é caracterizar a microestrutura e propriedades mecânicas de quatro tipos de aços avançados de alta resistência soldados no processo a laser, sendo três do tipo dual-phase: DP600, DP600GI e DP600GA e um do tipo TRIP750. Metodologia Os quatro tipos de aços foram designados da seguinte forma: US (DP600), GI (DP600GI), GA (DP600GA) e TR (TRIP750). As placas tipo GI e GA possuem revestimentos galvanizados de Zn. A espessura das placas e os valores médios do limite de escoamento (y), limite de resistência (max), alongamento uniforme (Lu) e alongamento máximo (Lmax) do material de base encontram-se na Tabela 1. As placas foram cortadas nas dimensões 200x100 mm cada por meio de eletroerosão, limpas e o revestimento nas bordas foi eliminado. As placas foram montadas numa mesa de soldagem de acordo com a Figura 1 e foram realizadas duas passagens com o laser, uma de cada lado da junta (frente e verso). As placas soldadas foram, então, preparadas para ensaios de tração e flexão. Para o ensaio de tração, as chapas soldadas foram cortadas numa máquina de eletroerosão em corpos de prova segundo o padrão ASTM E8 [2] (Figura 2a). Para o ensaio de flexão foram utilizadas partes soldadas retiradas no corte dos corpos de prova do ensaio de tração (Figura 2b). Foram realizados 114 ensaios de tração uniaxial de acordo com a montagem mostrada na Figura 3a e o resumo dos resultados é apresentado na Tabela 2, com os valores do Módulo Elástico (E), limite de escoamento (y), limite de resistência (max), alongamento uniforme (Lu) e alongamento máximo (Lmax). Os ensaios de flexão foram realizados pela técnica dos três pontos em 44 corpos de prova, conforme mostra a Figura 3b. O ponto de flexão superior foi sempre sobre a solda realizada. 1 Projeto: Tese de doutorado: Estudo das propriedades mecânicas de aços de alta resistência. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.10-13, 2013 10 As propriedades medidas são mostradas na Tabela 3, com os valores do módulo de elasticidade em dobramento (E), tensão de escoamento (y), limite de resistência (max) e alongamento na força máxima (Lmax). Resultados e Discussão Uma análise da Tabela 2, mostra que o valor do módulo elástico variou entre 23 e 34 GPa. Esta ampla variação se deve a dois fatores: cada lado do corpo de prova possui um comportamento elástico diferente e a solda se comporta como um material diferente, sujeito às suas próprias condições de deformação elástica. Um fato importante a ser considerado é que estes valores são muito mais baixos que aqueles esperados para aços US ou TR, cujo valor de “E” deve estar em torno de 200 GPa. Isso se deve ao fato que os resultados da Tabela 1 se referem ao módulo de elasticidade aparente, o qual deve ser convertido ao módulo real. Tabela 1. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais de base Sigla US GI GA TR Espessura (mm) 1,80 2,20 1,62 1,60 y (MPa) 417±8 430±20 400±20 489±7 max (MPa) 631±7 630±20 610±20 746±4 Lu (%) 16,9±0.6 16,0±1,0 16,7±0,9 23,0±0,6 Lmax (%) 30±1 29±3 29±1 32±1 Figura 1. Montagem das placas na mesa de soldagem. (a) (b) Figura 2. (a) Corpos de prova para o ensaio de tração. (b) Corpos de prova para o ensaio de flexão. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.10-13, 2013 11 No caso da tensão de escoamento, verifica-se certa diminuição de valores em relação ao material base, este último apresentado na Tabela 1. Segundo as análise realizadas, os aços US possuem limite de escoamento entre 400 e 430 MPa e o aço TR em cerca de 490 MPa. Por outro lado, os aços US soldados, similares ou dissimilares, apresentam limite de escoamento entre 300 e 400 MPa. As misturas entre TR e os aços US apresentaram limite de escoamento entre 360 e 450 MPa. Finalmente, soldas do tipo TR/TR possuem limite de escoamento de 470 MPa, bem próximo aos 490 MPa do material base. (a) (b) Figura 3. (a) Fotos da montagem e do ensaio de tração. (b) Foto do ensaio de flexão Tabela 2. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais em tração Material E (GPa) y (MPa) max (MPa) Lu (%) Lmax (%) GA-GA 29,0±2,0 400±30 670±30 32,0±2,0 43,0±6,0 GA-GI 27,8±0,4 401±3 651±3 20,1±0,3 27,0±1,0 GA-US 28,0±1,0 397±4 661±4 24,3±0,5 32,0±1,0 GI-GI 23,0±1,0 400±10 630±10 32,0±1,0 40,0±3,0 GI-US 34,0±3,0 310±30 490±50 24,5±0,3 33,2±0,3 TR-GA 32,0±3,0 360±30 590±60 24,4±0,3 30,9±0,2 TR-GI 34,0±3,0 400±30 660±60 35,0±1,0 43,0±1,0 TR-TR 31,0±2,0 470±10 762±8 47,0±1,0 55,0±1,0 TR-US 26,0±5,0 450±30 707±6 30,5±0,1 38,8±0,4 US-US 27,0±1,0 381±4 650±10 35,0±4,0 44,0±7,0 Pode-se verificar que os resultados obtidos para o limite de resistência são bastante semelhantes ao metal base. Os melhores resultados são sempre da junção entre duas chapas do tipo TR, que também apresentou os maiores valores de alongamento. Tanto em termos de alongamento uniforme e total, quanto em termos de resistência mecânica, as soldas mais preocupantes residem na junção entre GI e US. As razões metalúrgicas para isto será objeto de investigação microscópica na consecução do trabalho. Por outro lado, os resultados gerais de deformação (alongamento) se mostraram tão bons ou superiores aos materiais base. A fratura nos corpos de prova sempre ocorre em uma das chapas, longe da solda. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.10-13, 2013 12 Tabela 3. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais em flexão. Sigla E (GPa) y (MPa) max (MPa) Lmax (%) GA-GA 0,70±0,06 12,0±1,0 23,0±1,0 22±1 GA-GI 1,02±0,04 14,7±0,6 28,0±2,0 15±1 GA-US 0,88±0,04 14,0±0,1 26,0±1,0 19±3 GI-GI 1,30±0,10 17,2±0,4 32,3±0,5 22±1 GI-US 1,00±0,02 16,0±0,1 29,3±0,6 17±1 TR-GA 0,75±0,02 13,3±0,6 25,0±0,1 20±2 TR-GI 1,12±0,04 17,7±0,6 30,7±0,6 16±1 TR-TR 0,78±0,07 15,7±0,8 25,3±0,5 21±2 TR-US 0,86±0,02 15,7±0,6 28,0±0,1 19±1 US-US 0,92±0,03 14,3±0,5 26,7±0,8 20±1 Para o ensaio de flexão, os resultados apresentados na Tabela 3, foram muito parecidos em todas as condições, mostrando as boas propriedades de conformidade das chapas. Em todos os casos, não houve rompimento dos corpos de prova na região da solda. Ainda, comparando-se com as placas de material base que não foram soldadas, os resultados foram muito semelhantes. Conclusões De uma forma geral, todos os corpos de prova soldados a laser apresentaram um bom comportamento em tração uniaxial e flexão. Uma das principais aplicações destas novas classes de aços reside na conformação de blanques para a indústria de transporte. Portanto, os resultados obtidos no ensaio de flexão, são promissores, no que se refere à conformação das chapas. O trabalho ainda necessita de mais estudos, como a caracterização da zona fundida e testes de resistência à fadiga, e quando concluído poderá trazer importantes resultados para a aplicabilidade de soldagem a laser e aços avançados com alta resistência (AHSS). Agradecimentos Agradecemos ao Suporte Tecnológico (SUTEC) do IEAv pela confecção das placas e corpos de prova. Referências [1] ASGARI, S.A; PEREIRA, M.; ROLFE, B. F.; DINGLE, M.; HODGSON, P.D. Statistical analysis of finite element modeling in sheet metal forming and springback analysis, Journal of Materials Processing Technology, v. 203, p. 129-136, July 2008. [2] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS, ASTM E8 / E8M - 08 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Disponível em: <http://www.astm.org/Standards/E8.htm>. Acesso em: 01/04/2009. Art.1 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.10-13, 2013 13 TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE DE FERRO REVESTIDO COM GRAFITA COM LASER A FIBRA 1 1 I. K. L. Kam1*; M. S. F. Lima 2 Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, S. J. Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: ferro, laser, tratamentos de superfície. Introdução A possibilidade de utilizar uma camada absorvente de carbono sobre as ligas ferrosas já é conhecido há muito tempo. No início, era uma maneira de melhorar a absortividade das superfícies, pois o carbono absorve muito mais o feixe que uma superfície de ferro [1]. Na sequência, alguns autores como Vasconcelos et al. [2] mostraram que o carbono, presente na superfície, poderia difundir, melhorando as propriedades tribológicas das peças. A maior parte da literatura relacionada com o problema de tratamentos de superfície com laser apresenta dois problemas. Primeiramente, não se sabe a quantidade de calor disponível para o aquecimento da peça (absortividade). Segundo, como os autores já partem de ligas como ferros fundidos e aços, a análise fica complicada do ponto de vista metalúrgico. Um material altamente ligado faz com que a diluição e difusão do carbono sejam mais difíceis, portanto não representa um problema facilmente compreensível. O presente estudo visa o entendimento da transferência de calor e massa durante a irradiação de peças de ferro puro, previamente revestidas de grafita, com vistas ao emprego da tecnologia para peças com superfície endurecida. Metodologia O porta amostra foi especificamente desenhado para o presente trabalho, de forma a isolar termicamente a amostra. O termopar é fixado à superfície inferior da amostra de modo a monitorar a temperatura em função do tempo. A amostra é empregada como um calorímetro, sendo a absortividade calculada através da Eq. 1. m.C p Tmax Ta (1) P.t onde β é a absorção média da amostra, m é a massa do CDP, Cp é o calor específico (em J/kgK), Tmax é a temperatura máxima atingida pela amostra, Ta é a temperatura ambiente, P é a potência nominal e Δt é o tempo de interação. O tempo de interação é estimado pelo tempo no qual o feixe de laser atravessa a superfície plana da amostra. Resultados e Discussão Foram realizados experimentos de aquecimento no laser, conforme visto anteriormente, com as condições dadas na Tabela 1. A velocidade e potência foram mantidas constantes, enquanto a desfocalização (ΔZ), o número de passes e o deslocamento foram variados. O deslocamento ΔY é o espaçamento entre uma linha e outra na superfície da amostra. A temperatura máxima atingida no volume tratado (Tvol) em cada caso está discriminada na Tabela 2. A fim de poder 1 Projeto: CNPq 310761/2009-3 - Desenvolvimento de tecnologias de modificação superficial a laser de ferramentas mecânicas. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.14-15, 2013 14 determinar a temperatura máxima na superfície (Tmax), necessária para o cálculo da absortividade (β) conforme a Equação 1, foram realizadas regressões lineares para a curva. Estas regressões foram feitas para a parte do resfriamento, utilizando o conjunto de dados nos quais o erro (R2) ficou entre 0.9 e 1.0. Tabela 1. Condições experimentais. Condição A B C D V = 5 mm/s P = 90 W ΔZ (mm) 30 5 5 10 N. Passes 1 3 1 1 ΔY (mm) 1 1 0.5 0.5 I (W/cm2) 4.8x102 1.7x104 1.7x104 4.3x103 Tabela 2. Resultados das temperaturas máximas medida e estimada. Temperaturas Amostra A Amostra B 1º Passe Amostra B 2º Passe Amostra B 3º Passe Amostra C Amostra D Tvol/ºC 381 345 379 398 402 493 Tmax/ºC 584.0 666.0 640.3 676.8 * 923.9 β 39.7% 44.3% 42.1% 46.0% * 30.3% * Não foi possível medir. Devido à aplicação de carbono sobre a superfície da peça, a absortividade do laser sobre a peça com carbono é maior do que a peça sem aplicação de carbono. A absortividade medida nos experimentos varia de 30.3% a 46.0%. Estas medidas estão sujeitas a um erro estatístico. Conforme observado na literatura [3] para o comprimento de onda do laser a fibra (λ = 1.07 μm) a absortividade do ferro é de cerca de 45%. Com o aumento do número de passes, a absortividade foi diminuindo devido à diminuição do carbono disponível na superfície. Embora tenhamos feitos três passes em uma amostra isolada termicamente, não houve um aumento excessivo na temperatura. Aumentando de 345 ºC a 398 ºC do primeiro ao terceiro passe, ou seja, é possível tratar a peça com vários passes sem que ocorram transformações de fase na peça que está sendo tratada. Conclusões O presente método de endurecimento do ferro puro recoberto com grafita se mostrou eficiente para a formação de fases duras na superfície do material. A temperatura atingida pelas amostras não ultrapassou temperaturas nas quais ocorre reação, portanto o volume das peças não sofreu modificações. Foi possível determinar a absortividade nas amostras processadas, ficando entre 30 e 46% nos casos onde foi feito o estudo calorimétrico. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de iniciação científica PIBIC-IEAv e à SUTEC pelo auxílio no desenvolvimento e manufatura dos dispositivos. Referências [1] READY, J.F.. LIA Handbook of Laser Materials Processing. 1a. Ed. Florida (EUA): Magnolia, Publishing, Inc., 2001, p. 223-261. [2] VASCONCELOS, G. ; COSTA P.N.G. ; ANTUNES, E.F. Covering steel surfaces with carbon black by CO2 laser beam. Materials Science Forum, v. 660-66, p. 249-252, 2010. [3] ION, J, C, Laser Processing of Engineering Materials, Elsevier, 1a. ed. Oxford (USA): Elsevier, 2005, 556p. Art.2 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.14-15, 2013 15 ESTUDO DA EFICIÊNCIA DO CICLO PDE 1 L. C. Silva1*; J. B. R. Santos2; C. S. T. Marques3 Universidade Paulista – Engenharia Aeronáutica, São José dos Campos – SP 2 UNESP – Engenharia Mecânica, Guaratinguetá – SP 3 IEAv – Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP * [email protected] /[email protected] 1 Palavras-chave: PDE, detonação, impulso, acetileno, hidrogênio. Introdução O motor de detonação pulsada (PDE) é um dos novos dispositivos tecnológicos de propulsão para regimes de voo subsônico, supersônico e hipersônico e uma das aplicações mais promissoras está relacionada ao desenvolvimento do motor hipersônico scramjet (supersonic combustion ramjet) [1,2]. A principal barreira para a obtenção de um PDE operacional é se estabelecer uma detonação consistente e repetitiva na menor distância possível para minimizar o peso do sistema. A vantagem termodinâmica dos processos de detonação frente aos de deflagração, que resulta em alto impulso específico numa ampla faixa de Mach de voo; a complexidade reduzida e o baixo custo operacional comparado às turbinas [3], fazem com que os PDEs sejam de grande interesse. No entanto, para tornar os PDEs reais, além de se estabelecer detonações consistentes e repetitivas é importante determinar a eficiência e, consequentemente, o impulso específico gerado, principalmente para números altos de Mach de voo (M ≥ 5). O impulso específico é o critério comparativo dos propelentes ou sistemas propulsores, é definido como a relação de empuxo produzido devido à massa de propelente. Quanto mais alto o impulso específico, menor a massa de combustível necessária para qualquer nível específico de força propulsora [4]. Neste trabalho, foram calculados os impulsos e empuxos de um PDE com misturas explosivas de H2/ar e C2H4/ar para posterior associação com as medidas de emissão. Além disso, estabeleceu-se a condição de detecção do radical OH* durante a expansão da onda de detonação pela tubeira no sistema de detonação pulsada em estudo. Eficiência do ciclo O ciclo termodinâmico de um PDE é similar ao ciclo Humphrey (a volume constante), com adição em eficiência. Pode ser considerado como a somatória do trabalho realizado nos ciclos Otto, Disel e Brayton. A vantagem do ciclo Humphrey em relação aos demais consiste na obtenção de melhores valores em eficiência térmica (ηth), que é uma proporção direta do trabalho realizado (Wout) pela quantidade de calor consumida (q1) e em eficiência propulsiva (ηp), que está diretamente correlacionada ao impulso específico (Isp). Por sua vez o produto das eficiências propulsiva e térmica dá origem a eficiência global (η) [5]. Para o cálculo da eficiência térmica são considerados o calor específico à pressão constante (cp), temperatura inicial (T1), mach de detonação (MCJ) e a relação de calores específicos (γ). 1 Projeto: Avaliação da Detonação Pulsada por Imagens de Emissão (CNPq); Estudo da Detonação Pulsada por Técnicas Ópticas de Diagnóstico (FAPESP). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 16 Metodologia O sistema de detonação pulsada é composto por um sistema de ignição, um tubo de detonação, uma tubeira e uma câmara de testes para ensaios, conforme apresentado na Figura1. 500 mm Vela automotiva 1520 mm Sensores Pitot 380 mm 320 mm 36 mm 82,44 mm Sensores Diafragma combustível arvácuo 400 mm vácuo Lente Osciloscópio 20.0 Circuito indutivo Fonte de alta tensão Unidade de Ignição Botão de disparo 20.0 Fonte de alta tensão . Espectrômetro Gerador de atraso Figura 1. Sistema de detonação pulsada para experimentos “single shot”. Execução dos testes de detonação da mistura H2/ar Inicialmente, as câmaras de combustão e de teste, separadas por um diafragma de Mylar aluminizado, foram evacuados. Após 1 hora, no mínimo, a 5 Pa, o tubo de detonação foi preenchido com a mistura explosiva H2/ar a uma pressão inicial de 1 atm na condição estequiométrica. A mistura explosiva foi homogeneizada por difusão molecular durante 1h. Após a ignição da vela automotiva por um pulso de alta tensão (25 kV), inicia-se a detonação da mistura. A onda de choque acoplada a frente de combustão rompe o diafragma e continua se propagando até a câmara de testes. Medidas de emissão do OH* na câmara de testes Para as medidas de emissão do radical OH* utilizou-se o espectrômetro TRIAX 550 de 0,5m, posicionando-o em frente à janela da câmara de testes, onde ocorre a expansão da onda de detonação pela tubeira. Para alinhar o espectrômetro foi utilizado um laser de hélio/neônio, com emissão no visível, em 632,8nm. O comprimento de onda e a largura espectral foram selecionados pelo posicionamento da grade do espectrômetro, através do software do equipamento. A luz emitida pela onda de detonação foi coletada através de uma lente de sílica fundida com abertura relativa de f/3.7 e comprimento focal de 250 mm. Os sinais de emissão em função do tempo, detectados pela fotomultiplicadora instalada no espectrômetro, foram registrados por um osciloscópio de 500 MHz (Yokogawa, DL7450). Para as medidas de emissão do OH*, o espectrômetro foi centrado em 306,36 nm. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 17 Resultados e Discussões Cálculo do Impulso Específico O modelo para cálculo do impulso e do empuxo foi proposto por Cooper e Shepherd [6], baseados em considerações de dinâmica de gás elementar. Assume-se fluxo unidimensional e adiabático em um tubo sem obstáculos fechado em uma extremidade e aberto em outra. O impulso específico é calculado considerando o volume de controle, o qual requer apenas o conhecimento da evolução da pressão na superfície de empuxo. Cálculos para o impulso específico, frequência máxima e empuxo, conforme as equações da Tabela 1, para diferentes razões de equivalência e pressões iniciais são apresentados nas Tabelas 2 e 3. Também foram plotados gráficos mostrando a variação de impulso especifico com base na mistura e no combustível para diferentes razões de equivalência e para diferentes combustíveis (Figuras 2 e 3). Tabela 1. Equações para o cálculo dos impulsos específico e dos empuxos. Isp - impulso específico com base na mistura (s) XF - fração mássica de combustível (kg / kg) I - impulso (N s) V - volume de gás no tubo de detonação (m³) Mf - massa inicial de combustível (kg) - vazão mássica do gás (kg/s) g - aceleração da gravidade (m/s²) M - massa inicial da mistura combustível (kg) f máx – frequência máxima (Hz) - velocidade do gás na saída da tubeira (m/s) Ispf - impulso específico c/ base no combustível (s) Tmáx - Empuxo Máximo do PDE (N) ρ1 - densidade inicial da mistura (kg/m³) tciclo* - tempo do ciclo do PDE (s) tDDT - tempo de transição de deflagração para detonação (s) Tabela 2. Impulsos para a mistura H2/ar (AR=5,2 e AR=11). AR é a razão de áreas da tubeira. P1 [atm] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Fuel [%] Ux [m/s] 1,73 2,29 2,85 3,40 3,95 1,73 2,29 2,85 3,40 3,95 1,73 2,29 2,85 3,40 3,95 2147,9 2351,6 2499,6 2574,8 2621,1 2145,7 2355,6 2510,3 2583,8 2627,6 2145,8 2357,4 2516,1 2588,2 2630,5 Mistura H2 / ar AR = 5,2 Isp t*ciclo fmáx [s] [s] [Hz] 219,0 239,8 254,9 262,6 267,3 218,8 240,2 256,0 263,5 267,9 218,8 240,4 256,6 263,9 268,2 12,60 11,48 10,79 10,48 10,30 12,62 11,46 10,75 10,45 10,28 12,62 11,46 10,72 10,43 10,27 79,35 87,10 92,65 95,42 97,05 79,26 87,23 93,04 95,74 97,26 79,26 87,28 93,25 95,89 97,34 Tmáx [N] Ux [m/s] 126,43 143,21 153,22 154,34 152,20 252,33 287,33 309,04 310,80 305,82 378,49 431,59 465,67 467,73 459,65 2308,1 2542,0 2711,2 2791,4 2837,7 2307,0 2543,5 2720,1 2797,7 2841,1 2306,4 2544,0 2724,9 2800,4 2842,1 T=298K AR = 11 Isp t*ciclo fmáx Tmáx [s] [s] [Hz] [N] 235,4 259,2 276,5 284,6 289,4 235,2 259,4 277,4 285,3 289,7 235,2 259,4 277,9 285,6 289,8 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 11,85 10,74 10,07 9,78 9,63 11,86 10,74 10,04 9,76 9,62 11,86 10,74 10,02 9,75 9,62 84,37 93,07 99,28 102,21 103,83 84,33 93,13 99,62 102,45 103,95 84,30 93,14 99,80 102,55 103,98 144,5 165,4 178,1 179,2 176,3 288,6 331,2 358,5 360,1 353,4 432,7 497,0 539,7 541,2 530,5 18 Tabela 3. Impulsos para a mistura C2H4/ar (AR=5,2 e AR=11). AR é a razão de áreas da tubeira. P1 [atm] 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 270 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Fuel [%] Ux [m/s] 3,92 5,16 6,37 7,55 8,70 3,92 5,16 6,37 7,55 8,70 3,92 5,16 6,37 7,55 8,70 2030,8 2207,3 2306,8 2353,0 2358,1 2027,6 2213,2 2318,6 2363,2 2361,9 2027,2 2216,1 2325,3 2368,5 2363,3 Mistura C2H4 / ar AR = 5,2 Isp t*ciclo fmáx [s] [s] [Hz] 207,1 225,1 235,2 239,9 240,5 206,8 225,7 236,4 241,0 240,8 206,7 226,0 237,1 241,5 241,0 13,32 12,22 11,69 11,46 11,44 13,34 12,20 11,63 11,41 11,43 13,35 12,18 11,60 11,39 11,42 75,06 81,80 85,56 87,27 87,40 74,94 82,00 85,99 87,64 87,51 74,92 82,10 86,23 87,82 87,54 Tmáx [N] Ux [m/s] 139,0 164,6 179,8 187,0 187,6 277,0 330,8 363,3 377,2 376,3 415,4 497,4 548,0 568,3 565,1 2181,3 2389,5 2502,9 2550,8 2548,0 2178,8 2393,4 2513,8 2559,2 2548,5 2177,5 2395,2 2519,9 2563,4 2548,0 T=298K AR = 11 Isp t*ciclo fmáx Tmáx [s] [s] [Hz] [N] 222,4 243,7 255,2 260,1 259,8 222,2 244,1 256,3 261,0 259,9 222,0 244,2 257,0 261,4 259,8 12,53 11,43 10,90 10,70 10,71 12,55 11,41 10,86 10,66 10,71 12,56 11,40 10,83 10,64 10,71 79,79 87,52 91,72 93,49 93,37 79,69 87,66 92,12 93,79 93,38 79,64 87,72 92,34 93,95 93,36 158,7 190,6 209,1 217,2 216,6 316,6 382,4 421,9 437,2 433,3 474,3 574,5 636,0 658,0 649,7 290 H2/ar AR=5,2 280 H2/ar AR=11 260 270 260 Isp [s] Isp [s] 250 240 250 240 230 220 PINICIAL= 0,5 atm PINICIAL= 1,0 atm PINICIAL= 1,5 atm 230 1,2 210 210 0,6 0,8 1,0 1,4 220 0,6 Razão de equivalência [ ] 245 240 PINICIAL= 0,5 atm PINICIAL= 1,0 atm PINICIAL= 1,5 atm 0,8 1,0 1,2 Razão de equivalência [] 1,4 265 C2H4/ar AR=5,2 260 255 235 C2H4/ar AR=11 250 230 Isp [s] Isp [s] 245 225 220 240 235 215 230 PINICIAL= 0,5 atm PINICIAL= 1,0 atm PINICIAL= 1,5 atm 210 205 0,6 0,8 1,0 1,2 Razão de equivalência [] 1,4 PINICIAL= 0,5 atm PINICIAL= 1,0 atm PINICIAL= 1,5 atm 225 220 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Razão de equivalência [] Figura 2. Comparação dos impulsos específicos com base na mistura para detonações de H2/ar e C2H4 /ar com expansão por tubeiras divergentes com AR=5,2 e AR=11. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 19 14000 13000 H2/ar AR=5,2 12000 H2/ar AR=11 13000 12000 11000 11000 Ispf [s] Ispf [s] 10000 10000 9000 9000 8000 8000 PINICIAL=0,5 atm PINICIAL=1,0 atm PINICIAL=1,5 atm 7000 7000 6000 0,6 0,8 PINICIAL= 0,5 atm PINICIAL= 1,0 atm PINICIAL= 1,5 atm 1,0 1,2 1,4 6000 0,6 Razão de equivalência [] 5500 0,8 1,0 1,2 Razão de equivalência [] 1,4 6000 C2H4/ar AR=5,2 5000 C2H4 / ar AR=11 5500 5000 4500 Ispf [s] 4500 Ispf [s] 4000 4000 3500 3500 PINICIAL=0,5 atm PINICIAL=1,0 atm PINICIAL=1,5 atm 3000 PINICIAL=0,5 atm PINICIAL=1,0 atm PINICIAL=1,5 atm 3000 2500 0,6 0,8 1,0 1,2 Razão de equivalência [] 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Razão de equivalencia [] 1,4 Figura 3. Comparação dos impulsos específicos com base no combustível para detonações de H2/ar e C2H4 /ar com expansão por tubeiras divergentes com AR=5,2 e AR=11. O modelo analítico revelou comportamento satisfatório, segundo a literatura [5], para diferentes razões de equivalência e para ambas as misturas combustíveis. Faixas de impulso semelhantes são observadas entre as razões 1,0; 1,2 e 1,4. O empuxo máximo fornece valores conforme a frequência e o tempo de ciclo, com um acréscimo gradativo, diretamente ligado ao impulso obtido para ambas as misturas. Os valores de impulso obtidos são representativos de um único tubo e para um único ciclo; bem como o empuxo. Porém, fornecem valores ideais escalonáveis, isto é, os valores de empuxo são diretamente proporcionais à quantidade de tubos a ser aplicada. Emissão do OH* com resolução temporal para misturas de H2/ar A Figura 4 mostra a emissão luminosa com resolução temporal detectada para a faixa espectral referente à produção da espécie OH* (306,4 nm e ~4,05 eV) imediatamente na saída da tubeira. A integração da área sob a curva de emissão pode ser correlacionada com o impulso específico, visto que a produção do OH* numa detonação é predominantemente térmica (OH + H => OH* + M), e, portanto, dependente diretamente da pressão e temperatura do sistema reacional. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 20 Figura 4. Emissão de OH* na região ultravioleta para a detonação de mistura estequiométrica de H2/ar a 1 atm. Conclusões Para a mistura H2/ar foi obtida uma faixa de impulso específico de ~220-270 s (AR=5,2) e ~235-290 s (AR=11), para C2H4 de ~210-240 s (AR=5,2) e ~220-260 s (AR=11). Para ambas as misturas a variação com a pressão inicial é desprezível. As faixas de impulso específico obtidas representam um motor ideal de ciclo único com um tubo. Para a implementação de um motor real seria necessário considerar a eficiência da iniciação e propagação da detonação e o efeito da frequência do ciclo resultante de um sistema alimentado por válvulas mecânicas ou de gás-dinâmica. Agradecimentos Ao CNPq e à FAPESP pelo financiamento da bolsa PIBIC e dos materiais e equipamentos. Referências [1] POVINELLI, L. A.; Pulse detonation engines for high speed flight. Nasa report TM2002-211908, p1-8, 2002. [2] FALEPIM, F.; BOUCHAUD, D.; FORRAT, B.; DESBORDES, D.; DANIAU, E., Pulse detonation engine possible application to low cost tactical missile and to space laucher. Proc. 37th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference, Salt Lake City, 37 p, 2001. [3] KAILASANATH, K., Recent developments in the research on pulse detonation engines. AIAA J., 41, p145-159. 2003. [4] MATTINGLY, J.D.; OHAIN, H. Elements of propulsion: gas turbines and rockets. Reston, VA: AIAA (Education Series), p 867, 2006. [5] WU, Y.; MA, F.; YANG, V. System performance and thermodynamic cycle analysis of airbreathing pulse detonation engines. Journal of propulsion and power, v. 19, n. 4, p.556567, jul-ago. 2003. [6] COOPER, M.; SHEPHERD, J., The effect of transient nozzle flow on detonation tube impulse. Proc. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint propulsion conference and exhibit, Fort Lauderdale, 40, p 22, 2004. Art.3 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.16-21, 2013 21 ANÁLISE DE PARÂMETROS EM MOAGEM DE ALTA ENERGIA 1 J. C. Baesso 1; L. T. Miranda2; A. J. Damião 3* Universidade de São Paulo – Campus Lorena – SP 2 Universidade Estadual de Campinas – Campinas - SP 3 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: carbono vítreo, granulometria, moagem. Introdução O carbono vítreo (CV) é um material com características únicas e com propriedades específicas, o que permite aplicações em diferentes áreas. Devido à sua baixa massa específica, boas propriedades térmicas e elétricas, além de elevada inércia química, o CV vem sendo utilizado como cadinhos para usos especiais, substratos para espelhos de primeira superfície, válvulas cardíacas, e eletrodos, entre outros. A rota normal para obtenção do CV é a polimerização da resina furfurílica catalisada, que é posteriormente carbonizada a 1200 ºC, tornando-se carbono vítreo monolítico (CVM). Nesse projeto, utiliza-se uma rota alternativa, onde as amostras obtidas são originadas do pó de CVM. No entanto, esse processo vem exigindo uma otimização intensa de alguns parâmetros de processamento, tais como tamanho de grão e eficiência no peneiramento e moagem. A moagem de alta energia é um meio para se obter misturas homogêneas além de produzir também pós ultrafinos de materiais. As variáveis processuais são os tipos de moinhos, a velocidade (RPM), o tempo, a distribuição dos tamanhos e dos tipos de esferas, a relação entre corpos de moagem e os pós, a atmosfera de moagem, os aditivos e a temperatura do moinho. No início do processo de moagem, as partículas frágeis são fragmentadas e as partículas dúcteis tornam-se achatadas, por um processo de microforjamento. As partículas achatadas sofrem soldagem, enquanto as partículas frágeis são distribuídas na superfície do material mais mole [1]. Com isso, há um aumento do tamanho de partícula. As partículas também sofrem fraturas, as quais tendem a refiná-las. Em um segundo estágio do processo, a fratura torna-se mais comum que a soldagem das partículas. Com o decorrer da moagem, ambos os fenômenos, soldagem e fratura, entram em equilíbrio e o tamanho de partícula segue praticamente constante [2]. As análises realizadas neste trabalho tiveram como objetivo avaliar quais os melhores parâmetros de moagem de alta energia, em um moinho planetário. Os parâmetros analisados foram a velocidade de rotação e o tempo de moagem. Metodologia Foram utilizados cacos de carbono vítreo monolítico (CVM) que trincaram ou quebraram durante o processo de carbonização, como podem ser vistos na Fig.1. Estas quebras decorrem das perdas de volatéis que ocorrem durante a carbonização da resina furfurílica. 1 Projeto: Recarbonização de carbono vítreo para aplicações embarcadas II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 22 Figura 1: Cacos do CVM utilizados neste trabalho No projeto, os cacos de CVM foram primeiramente triturados em moinho rotativo (Fig.2) a 91 rpm e, após classificação granulométrica por um sistema de peneiras (Fig.3), foram moídos em moinho planetário de alta energia para obtenção de um pó mais fino. No moinho de alta energia, foram feitos vários experimentos, variando-se primeiramente a velocidade angular. A partir disso, determinou-se a velocidade ótima e, então, variou-se o tempo de moagem. Figura 2: Moinho rotativo Figura 3: Moinho planetário de alta energia Para identificar a eficiência do processo de moagem, o pó obtido foi peneirado em peneiras com abertura de 106, 75, 63, 53, 38, 25, 20 µm em base vibratória. O laboratório não possui peneiras com aberturas menores que 20 µm devido ao seu alto custo. O pó obtido após o peneiramento foi pesado em balança semi-analítica para análise granulométrica. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 23 Figura 4: Base vibratória para peneiras Figura 5: Peneiras Resultados e Discussão O primeiro parâmetro analisado foi a velocidade de rotação, que variou de 100 a 600 rpm, e para isso fixou-se o tempo de 10 minutos na moagem utilizando 3 esferas de 30 mm de diâmetro e 10 de 20 mm de diâmetro, todas de aço, do mesmo material do moinho. Após a moagem, o pó foi peneirado no conjunto de peneiras por 30 minutos e os resultados estão apresentados na figura 6: II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 24 100 rpm 200 rpm 300 rpm 400 rpm 500 rpm 600 rpm Figura 6: Gráficos de peneiramento As 3 últimas análises foram realizadas com a massa de pó que ficou retida na peneira de 106 µm das 3 análises anteriores. Analisando dados das figuras anteriores observa-se que, a curva que representa a moagem mais eficiente é aquela em que a velocidade angular foi de 600 rpm, pois a maior quantidade de massa ficou retida em uma peneira de granulometria mais baixa, comparada com as outras velocidades. A partir disto, utilizando-se essa velocidade, variou-se o tempo de moagem, entre 10 e 60 minutos. Os gráficos de peneiramento encontram-se na Figura 7. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 25 10 minutos 20 minutos 30 minutos 40 minutos 50 minutos 60 minutos Figura 7: Gráficos de peneiramento O melhor resultado observado foi o de 10 minutos de moagem, isso provavelmente se deve ao fato de o carbono vítreo se aglomerar muito facilmente, então para tempos de moagem maiores que 10 minutos, a 600 rpm, essa aglomeração ocorre, impedindo que as partículas se quebrem. Vale ressaltar que esse estudo varia de acordo com o material utilizado e com as suas propriedades, por isso o gráfico de 600 rpm da Figura 6 e o de 10 minutos da Figura 7 não são idênticos. Conclusões A partir da análise dos gráficos de peneiramento obtidos de diferentes parâmetros, o que mais se aproxima da curva ideal de peneiramento é o de rotação de 600 rpm e 10 minutos. Então se conclui que para o carbono vítreo esses parâmetros são os melhores dentro das demais condições utilizadas. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 26 Agradecimentos Ao apoio financeiro do CNPq Projetos 559925/2010-7, 181299/2012-7 e 181300/2012-5. Ao IEAv pela infra-estrutura e oportunidade. Ao Sargento Joely Edson Ferraz pelo apoio técnico. Referências [1] SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling, Progress in Material Science, v. 46, 2001. [2] NOWOSIELSKI, R., PILARCSYK, W. Structure and properties of Fe-6.67%C alloy obtained by mechanical alloying, Journal of Materials Processing Technology, v.162-163, 2005. Art.4 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.22-27, 2013 27 INTERROGADOR ÓPTICO DE GRADES DE BRAGG 1 1 T. A. F. Ganga1; M. M. de Carvalho2* Universidade Federal de São Paulo – Departamento de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos - SP 2 Instituto de Estudos Avançados –Divisão EFO-S, São José dos Campos – SP * [email protected] Palavras-chave: acelerômetro angular; fibra óptica; interrogador óptico; FBG; grades de Bragg; Introdução A concepção de um interrogador óptico mais prático e eficiente é de muita importância no desenvolvimento de sensores inerciais para aplicação espacial, sendo que, propõe-se a montagem de um interrogador óptico de grades de Bragg em fibras óptica, mais prático do que o interrogador que é usando atualmente, o que torna possível uma maior agilidade aos trabalhos envolvendo o acelerômetro angular de um eixo. O interrogador óptico, cuja montagem é proposta nesse trabalho, possui como uma de suas aplicações principais a integração em um acelerômetro angular, que consiste em um sensor capaz de mensurar a aceleração angular de um sistema físico, sendo este capaz de fornecer uma grandeza que auxilia a precisão na integração dos sistemas de navegação inercial. Com o auxílio de fibras ópticas, que em geral possuem baixa perda de sinal, são leves e imunes a interferências eletromagnéticas, podem-se obter excelentes sensores, que são chamados de sensores ópticos e, dentre esses sensores, destacam-se os sensores a grade de Bragg. As grades de Bragg consistem em uma modulação periódica no índice de refração do núcleo da fibra óptica, fazendo com que está se torne um sensor de deformação de alta sensibilidade. Este trabalho encontra-se inserido na área de optoeletrônica e possui como principais objetivos a proposição e a montagem de um interrogador óptico de grades de Bragg em fibras ópticas em uma estrutura modular. Metodologia Com o auxílio de um Circulador Óptico e de um Acoplador 50/50, foi proposto o sistema apresentado na Figura 1. Esse sistema é capaz de interrogar duas grades de Bragg independentes de forma que, ao se injetar luz em uma das Fibras inscrita com Grades de Bragg, parte do sinal refletido seja amostrado e o restante siga para a segunda fibra inscrita com Grades de Bragg, amostrando-se então o sinal resultante da reflexão da segunda fibra. 1 Projeto: II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.28-32, 2013 28 Figura 5. Interrogador Óptico Proposto. O interrogador óptico proposto na Figura 1 foi projetado para ser posicionado em uma placa retangular de alumínio de 17 cm por 6 cm conforme Figura 2, de forma que haja uma emenda entre a Porta 3 do Circulador Óptico e a Porta 1 do Acoplador 50/50. Figura 6. Posicionamento dos Componentes e Fibras em uma Placa Retangular. C representa o Circulador Óptico e A representa o Acoplador 50/50. Seguindo o modelo da Figura 1, C1, C2, e C3 representam respectivamente as portas 1, 2 e 3 do Circulador Óptico, assim como A1, A2, A3 e A4 representam respectivamente as portas 1, 2, 3 e 4 do Acoplador 50/50. Propõe-se um rebaixamento na placa, conforme a Figura 3, de forma que as fibras ópticas provenientes do Acoplador e do Circulador Óptico fiquem inseridas no rebaixamento, economizando espaço e organizando as fibras ópticas. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.28-32, 2013 29 Figura 7. Placa de Alumínio. Resultados e Discussão Como a placa de alumínio ainda não se encontra pronta, com base no método proposto neste trabalho é possível iniciar a montagem de um protótipo do interrogador óptico, conforme se observa na Figura 4. Figura 8. Montagem do Interrogador Óptico Previamente à montagem do interrogador óptico, realizou-se um estudo experimental do comportamento do espectro de reflexão de uma grade de Bragg quando a mesma é submetida a tração/compressão. Quando a fibra é esticada, o espectro de reflexão se comporta conforme a Figura 5: II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.28-32, 2013 30 (a) Antes da tração (b) Após a tração Figura 9. Espectros de Reflexão (a) antes da tração aplicada na fibra e (b) após a tração aplicada na fibra. Quando a fibra é contraída, o espectro de reflexão se comporta conforme a Figura 6: (a) Antes da compressão (b) Após a compressão Figura 10. Espectros de Reflexão (a) antes da compressão aplicada na fibra e (b) após a compressão aplicada na fibra. Observa-se então que se a grade de Bragg é esticada, o espectro de reflexão se desloca para a direita e que se a grade de Bragg é comprimida o espectro de reflexão se desloca para a esquerda. Conclusões Através dos conceitos estudados acerca das grades de Bragg, pôde-se concluir que ao inscrever uma grade de Bragg em uma fibra óptica, o resultado da alteração gerada pela mesma, retorna um excelente sensor de deformação, através do efeito fotoelástico. Com o auxílio de um interrogador óptico de grade de Bragg em fibras ópticas é possível medir o espectro de reflexão proveniente da fibra deformada. Com base nesse conhecimento, e com o auxílio dos componentes ópticos disponíveis, pôde-se propor as esquematizações nas Figuras 1 e 2 para o interrogador óptico. A placa de alumínio que torna possível a montagem do sistema, ainda não se encontra pronta, porém é possível visualizar a montagem de um protótipo do interrogador óptico na Figura 4. Deste modo se pode concluir que devido ao rebaixamento da placa de alumínio, conforme se observa na Figura 3, há realmente uma economia de espaço, resultando nessa forma uma II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.28-32, 2013 31 melhor organização no posicionamento das fibras ópticas. Demonstrando assim, um interrogador óptico bastante eficiente. Agradecimentos Ao CNPq pela bolsa de estudos de iniciação cientifica (PIBIC), ao IEAv pelo espaço e a pesquisadora Carmem Lúcia Barbosa que muito colaborou para o andamento do projeto. Referências [1] Training Publications Division. Sincros, Servomecanismos E Fundamentos de Giros. [2] KILIAN, Christopher T. Modern Control Technology: Components and Systems, Capítulo 6, 2a edição, Delmar Thomson Learning, 2000. [3] Waveguides: http://www.ece.msstate.edu/~donohoe/ece3323waveguides.pdf [4] Ulaby, F. T.; Eletromagnetismo para Engenheiros. 2007. 334 p. [5] Meng H.; Shen, W.; Zhang, G.; Tan, C.; Huang, X;. Fiber Bragg grating-based fiber sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature Original Research Article. Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 150, Issue 1, 21 de Setembro de 2010, Pag. 226-229. [6] Basumallick N.; Chatterjee I.; Biswas P.; Dasgupta K.; Bandyopadhyay S.;. Fiber Bragg grating accelerometer with enhanced sensitivity Original Research Article. Sensors and Actuators A: Physical, Volume 173, Issue 1, Janeiro de 2012, Pag. 108-115. [7] LoPresti P. G.; Jali D.; Shrock C.;. Differential strain measurement using multiplexed fiber Bragg grating sensors Original Research Article ISA Transactions, Volume 43, Issue 2, Abril de 2004, Pag. 195-204. [8] Storgaard-Larsen T.; Bouwstra, S.; Leistiko O.;. Opto-mechanical accelerometer based on strain sensing by a Bragg grating in a planar waveguide Original Research Article Sensors and Actuators A: Physical, Volume 52, Issues 1–3, Março de 1996, Pag. 25-32. [9] Othonos, A.; Kalli, K.; Pureur, D.; Mugnier, A.; Fibre Bragg Gratings. [10] Ferraro, P.; Natale, G.;. On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strains sensor for geodynamical monitoring. Optics and Lasers Engineering. Volume 37. 2002. Pag. 115-130. [11] Cusano, A.; Cutolo, A.; Nasser, J.; Giordano, M.; Calabrò, A.;. Dynamic strain measurements by fibre Bragg grating sensor. Sensors and Actuators A. Volume 110. 2004. Pag. 276-281. [12] M. Carvalho; R. Cazo; Acelerômetro angular opto-mecânico baseado em grades de Bragg a fibra óptica. São José dos Campos: IEAv, 2012. Caderno de atividades WAI 2012, Vol. 5, pag. 68. Art.5 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.28-32, 2013 32 AVALIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA E DA POROSIDADE TOTAL DO CARBONO VÍTREO COMPACTADO UTILIZANDO O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES E O IMAGE J 1 F. Nascimento1*; A. J. Damião1 Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil *[email protected] Palavras-chave: Substratos; Moinho; Poros. Introdução O carbono vítreo (CV) é um material rígido, de baixa massa específica e de baixo coeficiente de dilatação térmica, características muito apropriadas para sua utilização como substratos em aplicações ópticas. É constituído de carbono puro e apresenta caráter isotrópico. Possui esta denominação em virtude de seu brilho e de sua fratura conchoidal, semelhante aos materiais vítreos. Pode estar na forma monolítica (CVM), onde apresenta reduzida macroporosidade e alguns microporos ou na forma reticulada (CVR), como espumas ricas em poros de transporte [1]. Nesse projeto, o carbono vítreo monolítico é parcialmente carbonizado, cominuído em moinho de bolas e de alta energia e peneirado para classificação granulométrica. O pó é misturado à resina furfurílica e compactado através da prensagem uniaxial e/ou isostática, sendo então carbonizado a 1200 ºC. As amostras de carbono vítreo compactadas foram avaliadas para verificação da massa específica e da porosidade total. A porosidade superficial influencia diretamente na rugosidade superficial das amostras, quanto mais porosa a amostra, mais rugosa se torna sua superfície, dificultando a deposição de filmes. O Princípio de Arquimedes é um método muito utilizado na determinação de densidade de sólidos, cujo enunciado diz que todo corpo mergulhado num líquido está sujeito a uma força denominada empuxo, que atua debaixo para cima e é igual a massa do volume do líquido deslocado [2]. Também por este método, é possível determinar a porosidade total num sólido. Esse trabalho tem por objetivo avaliar a massa específica e a porosidade total de amostras de carbono vítreo compactado através de ensaio de densidade de sólidos, baseando-se no Princípio de Arquimedes e utilizando o software Image J. Metodologia Na obtenção de amostras compactadas, a matéria-prima utilizada foi o pó proveniente da moagem de peças parcialmente carbonizadas a 600 ºC e também de peças que, durante o tratamento térmico de carbonização, sofreram trincas e tornaram-se quebradiças. Os motivos das quebras são, dentre outros: resina com excesso de umidade e peças com espessura superior a 7 mm. As partes das peças foram reduzidas por martelamento e trituradas a seco em moinho de bolas, para obtenção do pó. A seguir, este pó foi cominuído em moinho de alta energia (Retsch, PM 100 CM). Os moinhos estão ilustrados na Figura 1. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 33 (a) (b) (c) Figura 1. (a) Moinho de bolas, (b) Moinho de alta energia e (c) Vista interna do recipiente do moinho de alta energia. O pó foi classificado em sete frações granulométricas, por separação com um conjunto de peneiras Retsch, de acordo com a norma ISO 3310/1, com as granulometrias: 63 μm (ASTM 230), 53 μm (ASTM 270), 45 μm (ASTM 325), 38 μm (ASTM 400), 25 μm (ASTM 500), 20 μm (ASTM 635) e PAN. Durante 10 minutos, os pós foram peneirados no Agitador de Peneiras Solotest, modelo “T” a 3600 vpm. Foi utilizada uma mistura de tamanhos de partículas nas proporções indicadas na Tabela 1. As partículas foram pesadas nas devidas porcentagens, tendo sido utilizada a maior quantidade de massa para o maior tamanho de partícula. A esta mistura de pós foi acrescentado 0,5% m/m de grafite, como lubrificante sólido. Os pós foram misturados e encaminhados ao moinho de bolas para homogeneização por 10 minutos a 100 rpm. A esta mistura foi adicionada 30% (m/m) de resina furfurílica catalisada (ligante), que foi preparada conforme procedimento para carbono vítreo monolítico tradicional, ou seja, a resina na temperatura ambiente foi catalisada com 2% de ácido p-toluenosulfônico (60% m/v) e centrifugada a 3000 rpm por 40 minutos. Essa mistura de resina catalisada e pó permaneceram em agitação por 1 h no moinho de bolas a 100 rpm. Tabela 1. Quantidade de pó de carbono vítreo na amostra de CV compactado de acordo com a sua granulometria. CV Compactado Granulometria (μm) Concentração de pó de CV (%) Grupo 1 45 38 25 20 60 20 15 5 Depois de garantida a homogeneização do pó, foi iniciada a prensagem para conformação das amostras. A massa para amostras de 8 mm de altura foi pesada e vertida em matriz metálica de aço 4340 temperado, com diâmetro de 20 mm, lubrificada com estearina. A prensagem foi realizada em prensa hidráulica uniaxial (EMIG GIACCIO; PHS 15 ton), a uma carga de 6 ton (pressão de 294 MPa). Após a compactação, a massa dessas amostras foi pesada em balança semi-analítica e a espessura, medida com um paquímetro (MITUTOYO, resolução de 0,02 mm). Para realização da prensagem isostática, as amostras foram encamisadas em invólucro de látex e o ar retirado por bomba de vácuo (MARCONI, Modelo MA059, 131B). Em seguida, II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 34 foram levadas para a prensagem isostática (PAUL WEBBER, Modelo TYPE KIP100E), à pressão de 300 MPa, em câmara de óleo. Parte das amostras foi carbonizada em forno tubular a 1200 ºC, utilizando atmosfera inerte de N2. Estas amostras foram utilizadas para definição da Massa Específica Aparente, sendo utilizada uma amostra prensada na prensa isostática, a verde e carbonizada, utilizando o Ensaio de Densidade de Sólidos, tendo como base o Princípio de Arquimedes. As amostras a verde e a carbonizada foram pesadas (Ps) e inseridas em querosene por 1h, sob sistema de bombeamento a vácuo. Decorrido este tempo, as amostras foram pesadas imersas (PI) em banho de querosene, sobre um suporte com contrapeso e posteriormente, secas em tecido umedecido com água e novamente pesadas (Pu). A Figura 2 ilustra esta etapa. (a) (b) (c) Figura 2. (a) Amostras em banho de querosene, (b) Detalhe para o escape do ar e (c) Esquema para pesagem da amostra imersa. As amostras restantes foram encaminhadas para polimento, tendo sua superfície preparada para análise por microscopia óptica (MO), utilizando o Microscópio Óptico Reichert Polyvar 2. A partir das fotomicrografias obtidas por MO foi possível determinar a distribuição dos poros existentes nos substratos de CV compactado, com o auxílio do software analisador de imagens, o Image J. Foram fotomicrografadas cinco regiões diferentes de uma mesma amostra. Este programa permite a análise de poros de uma determinada área selecionada, e sua contagem, através das áreas claras e escuras, determinando suas dimensões. Os resultados foram tratados matematicamente a fim de caracterizar o tamanho médio dos poros encontrados na amostra e a quantidade de poros na referida área. Resultados e Discussão Inicialmente, foi calculada a massa a pesar para obtenção de amostras com 8 mm de altura, visto que no material obtido por este processo não há a limitação de espessura que há no CV obtido pelo processo tradicional. A pressão de 294 MPa para a prensagem uniaxial foi considerada ideal porque a amostra apresentou boa resistência mecânica a verde. Contudo, a distribuição da pressão aplicada à massa contida em matriz rígida não pode ser considerada uniforme, sendo necessária para tanto a prensagem isostática. A prensagem isostática admite densidade uniforme através de todo o compactado, porque o atrito entre as paredes do invólucro e a massa de pó fica reduzido. A densidade média das amostras prensadas uniaxialmente esteve em torno de 1,18 g/cm3 e das amostras prensadas na isostática, em torno de 1,23 g/cm3. Após a carbonização nenhuma amostra compactada sofreu trinca ou fratura. A redução mássica foi de 23%. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 35 O teste de Massa Específica Aparente foi realizado com uma amostra carbonizada (Carb) e outra não carbonizada (NCarb) de CV compactado. Os cálculos foram descritos conforme as Equações 1, 2, 3, 4, 5 e 6 [3], seguindo-se o Princípio de Arquimedes. Os valores encontrados estão descritos na Tabela 2 e na Figura 3. Por estes cálculos foi possível encontrar valores de porosidade total dos corpos de prova analisados. Absorção Aparente (AA%) = (1) Porosidade Aparente (PA%) = (2) Densidade Aparente (Da) = (3) Volume Aparente (Db) = (4) Porosidade Total (PT%) = (5) Porosidade Fechada (PF%): (6) A porosidade total foi maior nas amostras não carbonizadas, como esperado. Na carbonização, a porosidade foi reduzida em aproximadamente 12%. Tabela 2. Porosidade Aparente - Valores encontrados para as amostras ensaiadas Amostra Ps (g) PI (g) Pμ (g) PA (%) AA (%) CV-Carb CV-NCarb 2,208 2,958 1,043 1,268 2,440 3,197 16,607 12,390 9,508 7,476 DA Db 3 (g/cm ) (g/cm3) 1,022 1,129 1,362 1,293 PT (%) PF (%) 17,812 20,261 1,205 7,871 * CV-Carb: representa amostra de CV compactado carbonizada e CV-NCarb: representa amostra de CV compactado não carbonizada. Figura 3. Massa Específica Aparente e Porosidade Total encontrada para amostras de CV compactadas utilizando como base, o Princípio de Arquimedes. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 36 As imagens da Figura 4 se referem à região central de uma amostra de CV compactado analisada através do Microscópio Óptico em diferentes resoluções, sendo (a) para 200 X e (b) para 500 X. As regiões escuras representam os poros e as regiões claras o carbono vítreo. Ao analisar as imagens feitas pelo MO foi possível notar poros de diferentes tamanhos no CV compactado, sendo alguns da ordem de 50 μm. (a) (b) Figura 4. Fotomicrografias em MO do CV compactado: (a) a 100 μm e (b) a 50 μm. Os resultados típicos encontrados na caracterização do tamanho médio dos poros e tratados matematicamente são apresentados na Figura 5. Figura5. Média da quantidade de poros analisados pelo software Image J, da área fracionada e do diâmetro de Ferret para amostra de CV compactado. Conclusões O método de determinação de densidade de sólidos, baseado no Princípio de Arquimedes permite obter a massa específica e a porosidade total das amostras compactadas. As amostras de CV compactado que possuem massa específica em torno de 1,23 g/cm3, são menos densas quando comparadas ao CVM, cuja densidade fica em torno de 1,5 g/cm3. Sabe-se que a porosidade é uma característica do material compactado, quanto mais compacto o material, maior é a densificação, favorecida também pela natureza e formato das partículas. Nas amostras estudadas, a porosidade total é reduzida para, aproximadamente, 12 % do valor inicial após o tratamento térmico e representa 18 % do volume das amostras. Uma das alternativas propostas para diminuição desse valor é reduzir a granulometria da matériaprima, pois partículas menores resultam em amostras mais densas, favorecendo também a rugosidade superficial. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 37 Os substratos preparados através da compactação do pó de carbono vítreo se tornaram forte alternativa para a aplicação de espelhos. Além de satisfazer o requisito de reaproveitamento das peças quebradiças de CVM, as amostras compactadas são rígidas, têm menor massa específica e podem ser processadas em espessuras superiores a 7 mm, que é um fator limitante para o carbono vítreo monolítico. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento dos Projetos 559925-7 e 380335/2013-1, ao IEAv pela oportunidade de desenvolvimento dos trabalhos, aos apoios técnicos como o Sgt. J. E. Ferraz, ao Marcos V. R. Santos e Diego J. B. Llopis do Laboratório de Componentes Ópticos (EFO-O) pelo polimento e à equipe do Laboratório de Cerâmica no IP&D da UNIVAP pela realização do ensaio e ao Departamento de Materiais da UNESP de Guaratinguetá pelo fornecimento da matéria-prima utilizada. Referências [1] ORÉFICE, R. L.; PEREIRA, M. M.; MANSUR, H. S. Biomateriais; Fundamentos e Aplicações, Cultura Médica, Rio de Janeiro (2006) 70. [2] ZUCCHINI, R. R.; THEMUDO, J. S. Projeções, 23, 2005, 7-12. [3] PANDOLFELLI, V. C.; AKIYOSHI, M. M.; SILVA, A. P.; SILVA, M. G. Cerâmica, 47 (2001) 19. Art.6 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.33-38, 2013 38 O MÉTODO ELEMENT-FREE GALERKIN: APLICAÇÃO EM NANODISPOSITIVOS A POÇOS E PONTOS QUÂNTICOS 1 1 L. K. Sperotto1,2*; A. Passaro1,2; R. Y. Tanaka1,2; G. N. Marques3 Instituto de Estudos Avançados –Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, São José dos Campos – SP 3 Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT, Alto Araguaia – MT *[email protected] Palavras-chave: software tools, heterostructures, numerical analysis, meshfree methods. Introdução Sensores de infravermelho nanoestruturados baseados em poços quânticos [1] e pontos quânticos [2] são interessantes alternativas para aplicação em várias áreas como Medicina (diagnóstico de câncer de pele, diagnósticos de doenças através dos gases liberados na respiração), visão noturna, visão em neblina intensa (auxilio a voo), detecção de gases, inspeção termográfica, monitoramento terrestre entre outros. Diversos métodos foram aplicados no estudo dessas nanoestruturas. Por exemplo, em [3] é aplicado o método de Volumes Finitos para a simulação de pontos quânticos piramidais com topo truncado em domínio tridimensional estudando a influência do volume truncado nas funções de onda e no valor dos níveis de energia. Em [4] é reportada a aplicação de um método espectral em poços quânticos (1D) avaliando o erro no valor dos níveis de energia e o tempo computacional em função do número de funções de base utilizadas. Um ponto negativo desses métodos é a necessidade de reescrever as equações para cada região do domínio. O Método de Elementos Finitos (MEF) também vem sendo aplicado com sucesso [5], [6], mesmo quando não são impostas condições adequadas de continuidade da derivada da função de onda em interfaces materiais. O Método Element-Free Galerkin (MEFG) surgiu como uma alternativa interessante para a resolução de sistemas de equações diferenciais possuindo vantagens com respeito ao outros métodos que são exaltadas pela literatura [7–11], tais como a continuidade arbitrária da solução e a não dependência de malha de discretização, mas com limitações que nem sempre são abordadas de forma adequada, segundo a opinião dos autores. O desenvolvimento do MEFG teve início com a generalização do MEF em [8] dando origem ao conceito de Elemento Difuso (ED). O método faz uso da técnica Moving Least Square (MLS) para aproximar a solução em cada elemento. Dois anos mais tarde foram propostas modificações no procedimento de aplicação do ED, dando origem ao Método Element-Free Galerkin, pois faz uso do procedimento de Galerkin na discretização das equações [7]. Essa formulação é conhecida na Literatura como formulação padrão do MEFG. Como as soluções são aproximadas com a técnica MLS, as condições de contorno essenciais não podem ser impostas diretamente. Uma alternativa é o uso de multiplicadores de Lagrange na imposição das condições de contorno essenciais [7]. Um avanço na formulação do método foi apresentado em [12] com a chamada formulação de consistência do MEFG, diferindo da anterior apenas na forma como as funções de base são obtidas. Alguns anos mais tarde a abordagem interpolante (MEFGI) foi proposta em [9]. A abordagem interpolante é obtida com o uso em sua formulação de funções peso “quase1 Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq nº. 559908/2010-5. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 39 singulares”, definidas por meio de um parâmetro denominado de singularização. Por ser uma abordagem interpolante as condições de contorno impostas em pontos nodais são respeitadas identicamente, sem a necessidade de uso de multiplicadores de Lagrange. Alguns algoritmos propostos originalmente em [12] e otimizados em [9] são usados neste trabalho. Um dos pontos negativos tanto do MEFG como do MEFGI é a necessidade de técnicas auxiliares para o tratamento das interfaces materiais. Como as soluções obtidas são altamente contínuas, essas técnicas auxiliares devem ser utilizadas para reproduzir as descontinuidades físicas presentes nas interfaces entre diferentes materiais. Uma das técnicas utilizadas para resolver esse problema é a de truncamento de domínios [10] que consiste em truncar a parte do domínio de influência que ultrapassa a interface material. Outras técnicas também são citadas na literatura [11]. O MEFG foi usado anteriormente no cálculo dos níveis de energia de poços quânticos [13], assim como uma variação do mesmo, denominada Meshless Local Petrov-Galerkin foi utilizada para a solução de problemas na área de mecânica quântica [14]. Não foi encontrado na Literatura um estudo detalhado do efeito dos parâmetros de controle do MEFG ou do MEFGI na solução de estruturas a poços ou a pontos quânticos. Uma das contribuições deste trabalho é apresentar o MEFGI como uma alternativa ao cálculo dos níveis de energia, funções de onda e dados derivados dessas duas grandezas nas nanoestruturas já citadas, acrescentando um estudo do impacto da escolha de parâmetros de controle do MEFGI na solução. Avaliamos também uma técnica que se encontra em fase de desenvolvimento, denominada ajuste de domínios, para lidar com descontinuidades materiais, a qual ao invés de truncar os domínios de influência, ajusta-os de forma que seus limites não ultrapassem as interfaces materiais, incluindo apenas o ponto localizado sobre a interface. Metodologia Os resultados apresentados neste trabalho foram obtidos com um programa computacional implementado em Linguagem JAVA para a resolução da equação de Schroedinger no paradigma Orientado a Objetos. Para a resolução do sistema de autovalores obtidos da discretização da equação de Schroedinger foi utilizado um solver desenvolvido em Linguagem C++ implementado na biblioteca SDK-LEVSOFT. Detalhes sobre a discretização da equação de Schroedinger pode ser encontrada em [13]. O software foi validado através da comparação da solução obtida com soluções analíticas para um poço de potencial infinito em uma dimensão, duas dimensões e duas dimensões com simetria axial. As soluções analíticas para esses problemas são encontradas em [15], [16]. Para avaliar o comportamento do MEFGI foram utilizados modelos de poços quânticos já reportados na Literatura [13], [17]. Para avaliar a solução em estruturas a pontos quânticos, foi escolhido um modelo cilíndrico usado por [18]. Em ambos os casos foi comparada a solução obtida pelo MEFGI com as soluções apresentadas pelos autores dos artigos referidos e com soluções obtidas com o MEF de primeira ordem [6]. Alguns autores avaliam a qualidade da solução apenas a partir do comportamento da função de onda. Contudo, todos os testes efetuados durante a execução deste trabalho mostram que as funções de onda são sempre bem representadas. Neste trabalho utilizamos o erro percentual dos autovalores calculados, obtido pela seguinte expressão: Eref Ecalc Error 100 , Eref onde Eref é o valor da energia para a referência utilizada e Ecalc é o valor da energia calculado pelo MEFGI, como padrão para a comparação de resultados. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 40 Os parâmetros de controle do MEFGI avaliados foram o parâmetro de singularização, utilizado na obtenção das funções de forma interpoladoras [9], e o parâmetro de escalas de domínios, que auxilia a definir o tamanho dos domínios de influência nodal [7–11]. Além disso, foi avaliada a influência da escolha de diferentes funções peso [7–11], que ponderam as contribuições nodais de acordo com o tamanho do seu domínio de influência, e da ordem da base polinomial utilizada. Resultados e Discussão Os casos estudados neste trabalho foram submetidos a uma análise de convergência. Todas as soluções pelo MEF e pelo MEFGI apresentam uma curva convergente em função do aumento do número de pontos nodais. No caso da comparação com soluções analíticas, o MEFGI apresenta, sistematicamente, erros percentuais menores para o mesmo número de pontos nodais, o que está associado à alta continuidade da solução obtida com o MEFGI. A Figura 11 ilustra o erro percentual obtido pelo MEF e pelo MEFGI para vários estados de energia de um poço de potencial infinito. Pode-se observar na Figura 11 que para a mesma discretização nodal, o MEFGI obtém sistematicamente solução com menor erro, aproximadamente a metade da obtida com o MEF. 100 Erro Percentual 10 1 MEF MEFGI 0.1 0.01 0.001 0 5 15 25 10 20 Número Quântico (n) 30 35 Figura 11. Erro percentual para os níveis de energia em um poço de potencial infinito. Figura 12. Convolução Lorentziana da força de oscilador para um modelo com u único poço (azul), com quatro poços (verde) e curva experimental. Como esperado, as funções de onda para todos os casos avaliados obtidas com o MEFGI são sempre bem representadas. Outra avaliação realizada em domínio unidimensional é a comparação da curva de absorção calculada com a curva de absorção experimental de um QWIP. Neste caso, utilizamos o modelo de QWIP avaliado em [17]. A curva do espectro de absorção na aproximação de dipolo é obtida realizando a convolução Lorentziana da força de oscilador. A força de oscilador é uma grandeza adimensional que indica a probabilidade de transição de um elétron entre os estados quânticos e é calculada por: 2 j 2 2 i fi, j d m * m0 ( Ei E j ) z onde ħ é a constante de Planck reduzida, m* é a massa efetiva do elétron, m0 é a massa do elétron livre, Ei e Ej são a energia do estado inicial e final respectivamente, ψi e ψj são as funções de onda do estado inicial e final, Ω é o domínio de estudo. Como esta grandeza utiliza II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 41 o valor dos níveis de energia, as funções de onda e sua derivada primeira, sua avaliação indica globalmente a qualidade desses dados. Na Figura 12 temos a curva de absorção experimental e teórica para modelos computacionais com um único poço e com quatro poços levando em consideração a não parabolicidade da massa efetiva [19]. Note que o uso de mais poços no modelo não altera a posição do pico de absorção. A posição calculada do pico de absorção não mostrou dependência significativa com a escolha de parâmetros de controle do MEFGI. Uma comparação com a solução do MEF revelou que o pico de absorção se mantém praticamente na mesma posição e diferenças foram observadas apenas para comprimentos de onda maiores. De forma a verificar o comportamento do MEFGI em pontos quânticos foi utilizado um modelo de ponto cilíndrico (Figura 13) [18], discretizado com 6659 pontos nodais. Uma das avaliações realizadas no modelo de ponto quântico cilíndrico foi quanto ao valor a ser adotado para o parâmetro de singularização das funções peso do MEFGI. Na Tabela 1 apresentamos o valor mínimo obtido em nossos testes para o parâmetro de singularização, considerando diferentes ordens da base polinomial. O valor obtido neste trabalho é dependente da base polinomial escolhida. Para base polinomial linear o valor encontrado está de acordo com o apresentado na Literatura [9], entretanto, não encontramos referencias na literatura que ilustrem a dependência desse parâmetro com a ordem da base polinomial. Tabela 1. Valores do parâmetro de singularização recomendados para cada base polinomial. Base Polinomial ɛ Linear 1E-06 Quadrática 1E-18 Cúbica 1E-19 Interface 3 Interface 2 Linha de Avaliação Interface 1 Figura 13. Modelo de ponto cilíndrico utilizado com detalhe da linha de avaliação. Figura 14. Derivada da Função de Onda avaliada com o uso da Técnica de Ajuste de Domínios. Testes da descontinuidade da derivada da função de onda nas interfaces de materiais também foram realizados, utilizando o modelo cilíndrico de ponto quântico. A Figura 14 ilustra o comportamento da derivada ao longo da linha de avaliação representada na Figura 13, obtido com a aplicação da técnica de ajuste de domínios. A análise mostrou que com o uso desta técnica a descontinuidade obtida, mesmo sem impor condição alguma na formulação do problema é inferior a 13% em todos os casos analisados. No caso de solução sem tratamento de interfaces a diferença pode chegar a mais de 70%. A aplicação da técnica de ajuste de II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 42 domínio resulta em comportamento similar ao obtido com a técnica de truncamento de domínios, com a desvantagem de que sua implementação é muito mais complexa, além de utilizar mais recursos computacionais. Deve-se ressaltar que tanto o erro na condição de descontinuidade quanto o erro no valor dos níveis de energia dependem do valor do parâmetro de escala de domínios e da base polinomial escolhida. Outro ponto a ser ressaltado é que aparecem pequenas oscilações nas derivadas das funções de onda (Figura 14). Essas oscilações diminuem com o aumento da ordem da base polinomial empregada e praticamente desaparecem com o uso da base polinomial quadrática. Tanto para os casos unidimensionais quanto bidimensionais foi realizada a avaliação de diferentes funções peso. Os resultados obtidos não revelaram alteração significativa nas soluções com o uso de diferentes funções peso com classe de continuidade diferentes. Entretanto, aconselhamos o uso de funções pertencentes à classe de continuidade mais elevada como, por exemplo, spline de quinta ordem, senoidal e exponencial. Conclusões Neste trabalho foi reportada a aplicação do MEFGI com o uso da técnica de truncamento e de ajustes de domínios para a resolução da equação de Schroedinger em nanoestruturas a poços e pontos quânticos. Apesar de não apresentado neste trabalho, foi possível definir uma faixa de valores para o parâmetro de tamanho de domínio de influência, para diversas funções peso normalmente citadas na literatura, que permite obter erros na determinação dos autovalores menores do que os obtidos pelo MEF. Da mesma forma que o observado no MEF, os parâmetros de controle do MEFGI não afetam de forma significativa grandezas globais como a curva de absorção. Agradecimentos Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no559908/2010-5 e pelas bolsas DTI-C (381329/2011-9) e DT-2 (310768/2009-8). Referências [1] LEVINE, B. F. Quantum-well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, vol. 74, no. 8, pp. R1–R81, 1993. [2] LIU, H. C. GAO, M. MCCAFFREY, J. WASILEWSKI,Z. R. and FAFARD,S. Quantum dot infrared photodetectors. Applied Physics Letters, vol. 78, no. 1, p. 79, 2001. [3] WANG, W. HWANG, T. and JANG,J. A second-order finite volume scheme for three dimensional truncated pyramidal quantum dot. Computer Physics Communications, vol. 174, no. 5, pp. 371–385, Mar. 2006. [4] ALHARBI, F. Meshfree eigenstate calculation of arbitrary quantum well structures. Physics Letters A, vol. 374, no. 25, pp. 2501–2505, May 2010. [5] TANAKA, R. Y. PASSARO, A. ABE, N. M. and VIEIRA, G. S. A self-consistent analysis of subband alignment in a superlattice with one larger well. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 33, no. 1, pp. 217–223, 2010. [6] TANAKA, R. Y. PASSARO, A. ABE, N. M. VILLAS-BOAS, J. M. VIEIRA,G. S. and STEPHANY,S. Software tools for the design and analysis of quantum well, quantum wire and quantum dot devices. In 2007 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2007, pp. 914–918. [7] BELYTSCHKO,T. LU, Y. Y. and GU, L. Element-free Galerkin methods. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 37, no. 2, pp. 229–256, Jan. 1994. [8] NAYROLES, B. TOUZOT, G. and VILLON, P. Generalizing the finite element method: Diffuse approximation and diffuse elements. Computational Mechanics, vol. 10, no. 5, pp. 307–318, 1992. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 43 [9] BREITKOPF, P. RASSINEUX, A. TOUZOT, G. and VILLON, P. Explicit form and efficient computation of MLS shape functions and their derivatives. International Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 48, no. 3, pp. 451–466, May 2000. [10] CORDES, L. W. and MORAN, B. Treatment of material discontinuity in the ElementFree Galerkin method. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 139, no. 1–4, pp. 75–89, Dec. 1996. [11] BELYTSCHKO, T. KRONGAUZ, Y. ORGAN, D. FLEMING, M. and KRYSL,P. Meshless methods: An overview and recent developments. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 139, no. 1–4, pp. 3–47, Dec. 1996. [12] BREITKOPF, P. TOUZOT, G. and VILLON, P. Consistency approach and diffuse derivation in element free methods based on moving least squares approximation. Computer Assisted Mechanics and Engineering Sciences, vol. 5, no. 4, pp. 479–501, 1998. [13] MACHADO, J. M. SHIYOU, Y. PASSARO, A. and ABE, N. M. An Application of the Element Free Galerkin Method to the Analysis of Quantum Well Structures. In Fourth International Conference on Electromagnetic Field Problems and Applications ICEF’2000, 2000, no. 2, pp. 207–210. [14] NICOMEDES, W. L. MESQUITA, R. C. and MOREIRA, F. J. S. Meshless local PetrovGalerkin (MLPG) methods in quantum mechanics. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, vol. 30, no. 6, pp. 1763–1776, 2011. [15] EISBERG, R. and RESNICK, R. Física Quantica: Átomos, Moléculas, Sólidos, Núcleos e Partículas. Rio de Janeiro: Elsevier, Campus, 1979. [16] BUTKOV, E. Física Matemática. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois S.A., 1978, p. 725. [17] PRALON, B. P. F. Avaliação do desempenho de QWIPs em função da dopagem. Dissertação de Mestradoem Física – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, 2013. [18] LEE, J. CHOU, W.-C. YANG,C.-S. and JAN, G. J. Eigen-Energies and EigenFunctions of Symmetroidal Quantum Dots. Chinese Journal of Physics. vol. 42, no. 1, pp. 102–115, 2004. [19] NELSON, D. MILLER, R. and KLEINMAN, D. Band nonparabolicity effects in semiconductor quantum wells. Physical Review B, vol. 35, no. 14, pp. 7770–7773, May 1987. Art.7 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.39-44, 2013 44 ESTUDO DE COMPONENTES DE INTERFERÔMETRO NO INFRAVERMELHO 1 P. S. Patrício1,2* ; A. J. Damião 2 Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Guaratinguetá – SP. 2 Instituto de Estudos Avançados – Fotônica – Óptica Aplicada, São José dos Campos – SP. * [email protected] 1 Palavras-chave: Interferometria, Metrologia, Óptica de Precisão. Introdução É apresentada uma metodologia de treinamento na montagem de um interferômetro de Michelson de luz visível, que será utilizado para os estudos dos componentes de interferômetro no infravermelho. A interferometria é uma técnica baseada no fenômeno de interferência, sendo aplicada em metrologia de precisão nas áreas aeroespacial, medicina e indústrias, dentre outras. O Laboratório de Produção de Componentes Ópticos (LPCO), do Grupo de Óptica Aplicada do IEAv, necessita de um interferômetro no infravermelho para a caracterização de superfícies esmerilhadas, etapa que ocorre durante a fabricação de componentes ópticos de precisão [1]. Interferômetro Óptico Interferômetro óptico é um instrumento para medições de precisão, baseado no fenômeno de interferência. Na Figura 1 a) é apresentada uma esquematização do interferômetro de Michelson. Neste interferômetro, um feixe de luz de laser (Source S) é dividido por um beam splitter (divisor de feixes) produzindo dois feixes. Cada um dos feixes divididos incide em um espelho (M1 e M2), retornando para o beam splitter. A combinação destes feixes produz uma imagem de claros e escuros chamada de padrão de interferência, ver Figura 1 b). Quando os feixes interferem de forma construtiva produzem os claros (máximos) e quando se interferem de forma destrutiva produzem os escuros (mínimos). a) b) Figura 1. a) Esquematização do interferômetro. b) Padrão de interferência. Óptica de Precisão Na fabricação de um componente óptico de precisão, o acabamento superficial envolve três passos principais: a geração da superfície, o esmerilhamento e o polimento. A caracterização do formato da superfície somente pode ser realizada com precisão quando a superfície já apresenta certo grau de polimento, pois antes disso o espalhamento da luz não permite a 1 Projeto: Estudo dos Componentes de um Interferômetro no Infravermelho. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.45-49, 2013 45 observação de franjas de interferência. Na fase de polimento, caso seja observado um erro de forma na superfície, por exemplo, se uma superfície que deveria ser plana se apresentar levemente côncava ou convexa, novo esmerilhamento deve ser realizado. A solução para economia de tempo e material na produção de óptica de precisão é medir a planeza da superfície logo após o esmerilhamento. Porém, pelo fato da superfície ainda ser bastante rugosa, o espalhamento da luz (radiação no visível), não permite a utilização da interferometria. Uma maneira de superar este problema é utilizar um interferômetro com comprimento de onda maior do que a rugosidade média da superfície. Por isso a necessidade da construção de um interferômetro no infravermelho. Metodologia Trabalhar e alinhar sistemas no infravermelho requer prática, pois o feixe não é visível. Para ganhar experiência em interferometria, foi utilizado um laser de Hélio-Neônio (He-Ne) para a montagem do interferômetro. Para montagem do interferômetro de Michelson são necessários: um laser de He-Ne, um filtro espacial, um divisor de feixes (beam splitter), espelhos de primeira face, lente para focalização do padrão de interferência na câmera de vídeo e monitor de vídeo para a visualização da imagem das franjas de interferência. O passo inicial foi a montagem e o alinhamento destes componentes, bem como compreender as suas funções na montagem. Alinhamento do Feixe de Laser de He-Ne Inicialmente o laser de He-Ne foi montado em um suporte fabricado no IEAv. A Figura 2 a) apresenta o suporte de metal com três parafusos na frente e três atrás, para alinhamento do laser nos eixos Y e Z. O suporte com o laser foi colocado em um trilho de ferro e foram utilizados pin holes para o alinhamento do laser com o trilho. Isto é essencial para que os componentes a serem instalados estejam colineares. Para alinhar o feixe do laser com o trilho, fez-se com que o feixe do laser passasse por um único pin hole colocado inicialmente numa posição próxima ao laser e, posteriormente, quando afastado do laser o feixe ainda atravessasse o pin hole. Isto é obtido com aproximações sucessivas. Depois de garantir o alinhamento do feixe do laser com o trilho, foram posicionados outros pin holes , ver Figura 2 b), em locais onde serão colocados os componentes do interferômetro. a) b) Figura 2. a) Suporte com laser alinhado. b) Feixe de laser passando através dos pin holes. A seguir serão descritos os componentes do interferômetro. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.45-49, 2013 46 Filtro Espacial O filtro espacial é um dispositivo destinado a selecionar modos do laser. É constituído de duas lentes e um pequeno orifício (pin hole). O feixe de entrada é focalizado pela primeira lente no pin hole, sendo assim espacialmente filtrado o que não é desejado. A segunda lente é colocada em posição confocal com a primeira Fig. 3 a), recuperando o feixe original. Nas figuras 3 a) e 3 b) é apresentado o filtro espacial utilizado em nossa montagem. a) b) Figura 3: Filtro espacial. a) Esquematização e b) montado junto ao laser. Interferômetro de Michelson O interferômetro de Michelson é um dispositivo criado por Albert Abraham Michelson em 1881 para estudos com a velocidade da luz. Nas Figura 4 a) e b) é apresentado o interferômetro de Michelson montado neste projeto para estudarmos a interferometria. a) b) Figura 4: Interferômetro de Michelson. a) vista superior, b) vista lateral. O interferômetro de Michelson tem dois braços. O braço do interferômetro é a distância entre o beam splitter e um dos espelho. O interferômetro funciona da seguinte maneira: um feixe de luz (1) de laser de He-Ne, com comprimento de onda no vermelho ( = 633 nm), passa por um pin hole (2), passa pelo filtro espacial (3) para seleção de modos do laser, e incide no beam splitter (4), onde se divide em dois feixes. Esses dois feixes incidem nos espelhos (5 e 6), sendo refletidos e retornando ao beam splitter (4), onde de combinam e através da lente (7) são focalizados na câmera de vídeo (8). O padrão de interferência formado pode ser visto na imagem no monitor (9). Resultados e Discussões A qualidade dos espelhos utilizados no interferômetro determina a resolução final do padrão de interferência observado. A qualidade dos espelhos é avaliada pela medida de sua planeza. A planeza dos espelhos é medida através da técnica da interferometria de fase. Neste trabalho foi utilizado um interferômetro Zygo Mark GPI-XPS para a avaliação dos espelhos. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.45-49, 2013 47 Medida da Planeza dos Espelhos As Figuras 5 a), 5 b), 6 a) e 6 b), apresentam os resultados das medições do espelho M 1 e M2. Através do padrão de interferência da Figura 5 a), observou-se uma planeza de /3 para o espelho M1. Através do padrão de interferência da Figura 6 a), observou-se uma planeza de /2 para o espelho M2. a) b) Figura 5: Planeza do espelho M1. a) Padrão de interferência produzido e b) medida da distância entre o pico e o vale. a) b) Figura 6: Planeza do espelho M2. a) Padrão de interferência produzido e b) medida da distância entre o pico e o vale. Interferômetro de Michelson Na figura 7 pode ser vista a primeira montagem do interferômetro na bancada do laboratório. Figura 7: Interferômetro de Michelson em funcionamento no LPCO. Pode ser observado no alto do canto esquerdo o interferograma formado. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.45-49, 2013 48 A Figura 8 apresenta o padrão final de interferência obtido com o interferômetro de Michelson, em uma segunda montagem. Foi aqui utilizado o processo de alinhamento anteriormente descrito. O padrão de interferência está mais bem definido do que em relação ao padrão observado na Figura 1 b), pelo fato de ter-se corrigido a distância dos braços do interferômetro. Figura 8: Padrão de interferência observado com o interferômetro de Michelson. Na Figura 8, de interferência, podem-se observar três franjas consecutivas. O comprimento de onda do laser utilizado é igual a = 633 nm, então podemos medir deformações na superfície de no máximo 211 nm (/2). Na montagem do interferômetro no infravermelho, serão utilizados componentes de ZnSe, em substituição aos componentes de vidro (SiO2). Os componentes de vidro absorvem radiação infravermelha e além de não transmitir o feixe, podem aumentar a temperatura dos componentes podendo produzir a sua quebra. Dois dos componentes são expansores de feixe do laser. O desenho destes expansores é igual ao desenho do filtro óptico da Figura 3 a). Estes são fabricados à partir de especificações e o seu desenho está determinado para o comprimento de onda do laser de CO 2 ( = 10.600 nm). Quando trabalhamos com o laser de He-Ne não podemos utilizar os expansores de ZnSe, pois através da equação dos fabricantes de lentes, podemos mostrar que o posicionamento confocal do expansor é perdido, pois este perceberá o ZnSe com um índice de refração diferente daquele que foi calculado para o laser de CO2. Conclusões Nesta montagem do interferômetro de Michelson foi observada a importância do alinhamento do feixe do laser, da sua colimação e paralelismo, e do alinhamento deste com os componentes ópticos. Os espelhos utilizados limitam uma máxima resolução de /2, permitindo a medição de deformações em superfícies óticas de no máximo 316.5 nm. Na montagem do interferômetro no infravermelho serão utilizados expansores e beam splitter de ZnSe para a avaliação de superfícies ópticas de até 75 mm. Agradecimentos Gostaria de agradecer à participação dos Sr(s), 1S Franklin, 2S Ferraz, Ms. Luís Lavras e ao financiamento do CNPq. Referências [1] DAMIÃO, Alvaro José. Design of an IR interferometer for rough surfaces evaluation. ENCONTRO DE FÍSICA 2011 da Sociedade Brasileira de Física, Foz do Iguaçu. p. 9-9.2011. Art.8 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.45-49, 2013 49 ANÁLISE DA PERMISSIVIDADE ELÉTRICA NA BANDA S E DAS MICROESTRUTURAS DE AMOSTRAS POLICRISTALINAS DE CoFe2O4 L. V. Lemos1*; A. K. Hirata1; V. L. O. Brito2; A. C. C. Migliano1,2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Engenharia Aeronáutica e Mecânica, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: ferritas de cobalto, permissividade elétrica, estrutura cristalina. Introdução Ferramentas computacionais são empregadas atualmente para o desenvolvimento de estruturas funcionais que absorvam radiação eletromagnética, com o objetivo de eliminar os altos custos de prototipagem e de ensaios de conformidade. Para se garantir a confiabilidade dos resultados gerados nas simulações computacionais, faz-se necessária a submissão de bancos de dados com as propriedades eletromagnéticas dos materiais empregados. De acordo com a literatura, as ferritas de cobalto têm potencial para aplicações em sensores aeroespaciais, em especial para transdutores de pulso de corrente, de presença de rádio frequência (RF) e magnetoelásticos [1, 2]. No entanto, não são encontrados dados suficientes que possam cumprir as exigências de projeto para os seus desenvolvimentos. Desta forma, a compreensão dos fenômenos físicos envolvidos e a utilização desses materiais são frutos das interpretações dadas sobre as interações dos materiais com os campos eletromagnéticos. Na área de telecomunicações, o desenvolvimento de tecnologias requer um conhecimento preciso das propriedades eletromagnéticas de materiais em frequências de RF e micro-ondas, a fim de atender requisitos importantes para aplicações nos setores civis e militares [2,3]. Assim, o desenvolvimento de circuitos eletrônicos requer o conhecimento preciso das propriedades constitutivas dos materiais. As cerâmicas eletromagnéticas são materiais largamente empregados nas áreas de telecomunicação e de eletroeletrônica. São conhecidas como ferritas [4] que, diferentes dos aços magnéticos, apresentam alta resistividade elétrica e valores consideráveis de permeabilidade magnética e permissividade elétrica em altas frequências [5,6,7]. As ferritas que apresentam fáceis magnetização e desmagnetização são conhecidas como ferritas magneticamente moles e, geralmente, apresentam estrutura cristalina do tipo espinélio [8,9,10]. Algumas ferritas possuem características magnetoelásticas, tal como a ferrita de cobalto que possui aplicações em sensores de tensão mecânica, atuadores piezomagnéticos e magnetômetros [11]. Neste trabalho são apresentadas curvas de permissividade elétrica complexas de ferritas de cobalto sinterizadas a 1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC, na faixa de frequência de 2 GHz a 4 GHz (Banda S). Também são apresentadas imagens de micrografias da superfície das amostras, com o objetivo de avaliar a influência da temperatura de sinterização nas propriedades elétricas desses materiais. Medidas de DRX dessas amostras confirmaram a presença da esperada estrutura espinélio inverso. Metodologia Para o preparo da estequiometria do material, foram utilizados pós de Co3O4 e Fe2O3, secos em uma estufa, por 24 horas a 60 °C, a fim de retirar grande parte da umidade dos materiais. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 50 Após a secagem dos pós, esses materiais foram peneirados com uma peneira de malha 230 (63µm) e armazenados em recipientes esterilizados para identificação. Os critérios para a determinação da estequiometria CoFe2O4 foram estabelecidos de acordo com a resposta do material durante a análise da espectroscopia de energia dispersiva (EDS). O processo de moagem à úmido foi realizado com um jarro de poliamida e esferas de zircônia. Considerando a massa específica teórica dos óxidos Co3O4 igual a 6,11 g/cm3 e Fe2O3 igual a 5,24 g/cm3 [12], foram misturados no jarro 41,74g de Co3O4, 83,04g de Fe2O3, 90,72 ml de água bidestilada e 0,45 ml de dispersante (poliacrilato de amônia) para a mistura dos óxidos. A homogeneização do material ocorreu por meio do processo de moagem. A ferrita de cobalto foi pré-sinterizada a 900 °C, durante 8 horas, com taxa de aquecimento de 300 °C/hora. Após a pré-sinterização, o material resfriou lentamente até a temperatura ambiente. Com a queda da temperatura, a somatória da inércia de resfriamento dos elementos que constituem a câmara de queima do forno contribuiu com a redução da taxa de resfriamento do forno. O processo de pré-sinterização formou aglomerados de grãos que foram novamente moídos durante 24 horas no moinho de bolas à úmido e, depois de secos, foram reduzidos com o auxílio de um almofariz de zircônia, durante 30 minutos, manuseando o pistilo em movimentos circulares. O material separado foi compactado por uma prensa manual com uma pressão de 50 MPa durante 60 segundos nas faces da amostra. Foi utilizada a técnica de prensagem uniaxial bidirecional com camisa flutuante [13,14,15]. Após a prensagem, as amostras foram separadas em três lotes e cada lote foi sinterizado à 1100 °C, 1200 °C e 1300 °C, respectivamente, durante 2 horas, para formação da estrutura. As medidas dos parâmetros S em um guia de onda coaxial de duas portas foram feitas utilizando-se um analisador de redes vetorial (VNA), modelo 8722 ES, da Agilent Co., pela técnica de Transmissão/Reflexão [ 1, 2]. O processo de calibração do VNA (a) foi realizado com o kit de calibração 85032A, da Agilent Co.(c, d e e), na faixa de frequência de 50 MHz a 5 GHz. O kit de calibração utilizado possui padrões do tipo N [42,57]. Após a calibração, o equipamento apresentou uma razão de onda de tensão estacionária (VSWR) [1,6] máxima de 1,0066 por toda a faixa de frequência. Resultados e Discussão A análise por meio da difração de raios X é apresentada na Figura 1. 3 1 2 4 5 6 7 8 9 1300 ºC 1200 ºC 1100 ºC 900 ºC Figura 1. Difratogramas das ferritas de cobalto pré sinterizada a 900 ºC e sinterizadas a 1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC. Os picos numerados representam o ângulo dos planos cristalinos em unidades arbitrárias. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 51 Observando que os picos de 1 a 9 da difração de raios X apresentada na Figura 1 se repetem para as estruturas desde a pré-sinterização, podemos determinar que a estrutura formada durante a pré-sinterização manteve-se durante as sinterizações e são do tipo espinélio, de acordo com [16]. Na Figura 2 são representados os resultados das medidas de permissividade elétrica complexa ( ) para a ferrita sinterizada a 1100 ºC. As medidas de da amostra sinterizada a 1100 ºC apresentaram um comportamento de Debye, onde a componente imaginária da permissividade elétrica ( ) apresentou um pico de 2,74 na frequência de 3,35 GHz. A interação do material com o campo elétrico, ou seja, a componente real da permissividade elétrica ( ) iniciou a resposta de relaxação na frequência de 1,05 GHz. Observando em função de , a frequência de corte do material relativa ao pico da curva do diagrama Cole-Cole [17] foi de 3,35 GHz. Conforme a Figura 3, as medidas de da amostra sinterizada a 1200 ºC apresentaram um comportamento de Debye, onde apresentou um pico de 7,41 na frequência de 2,51 GHz. A interação do material com o campo elétrico iniciou a resposta de relaxação na frequência de 1,02 GHz. Foi observado o acréscimo da permissividade com o aumento da temperatura de sinterização. As perdas elétricas também apresentaram acréscimo do valor. A frequência de corte do material foi de 2,51 GHz. As medidas de da amostra sinterizada a 1300 ºC, representadas na Figura 4, apresentaram acréscimo nos valores de suas componentes real e imaginário, comparado com as medidas das amostras sinterizadas a 1100 ºC e 1200 ºC. Foi observado um pico de 12,07 na frequência de 2,92 GHz para a perda . A interação do material com o campo elétrico iniciou a resposta de relaxação na frequência de 1,05 GHz. Foi observado o acréscimo da permissividade com o aumento da temperatura de sinterização. As perdas elétricas também apresentaram acréscimo do valor. A frequência de corte do material foi de 2,92 GHz Figura 2. Medidas das partes reais e imaginárias da permissividade elétrica da ferrita de cobalto sinterizada a 1100 ºC. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 52 Figura 3. Medidas das partes reais e imaginárias da permissividade elétrica da ferrita de cobalto sinterizada a 1200 ºC. Figura 4. Medidas das partes reais e imaginárias da permissividade elétrica da ferrita de cobalto sinterizada a 1300 ºC. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 53 Conclusões O comportamento de Debye da permissividade em frequências acima de 2 GHz para as ferritas de cobalto demonstraram que esses materiais apresentam interações com campos eletromagnéticos de alta frequência e podem ser aplicados em dispositivos de RF e microondas. As frequências de relaxação das amostras sinterizadas a 1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC foram de 3,35 GHz, 2,51 GHz e 2,92 GHz, respectivamente. Esses valores são utilizados para o preenchimento de bancos de dados de programas de simulações computacionais. Agradecimentos Os autores agradecem ao grupo de sistemas eletromagnéticos do IEAv pelo apoio no desenvolvimento do trabalho, à Dra. Cristina Bormio do Departamento de Materiais da USPEEL e ao Dr. Manoel Ribeiro da Silva da UNIFEI. Também agradecemos ao CNPq (Proc. 501348/2007IC e Proc. 141780/2011-8) e ao CAPES (Proc. 3132042009/8DT). Referências [1] CHEN, L. F. et al. Microwave electronics: measurement and materials characterization. New York, NY: John Wiley & Sons, 2004. 552 p [2] VON HIPPEL, A. R. (Ed.). Dielectric materials and applications. Cambridge, MA: The MIT Press, 1966. 438 p. [3] JEFFERSON, C. F.; GRIMES, D. M. A study of the preparation of nichel-zinc ferrites. Engineering Research Institute - University of Michigan Technical Report No. 58, Ann Arbor, MI, p. 1-67, 1956. [4] RICHERSON, D. W. Modern ceramic engineering: properties, processing, and use in design. 3. ed. Boca Raton: Taylor & Frances / CRC Press, 2006. 707 p. [5] KOOPS, C. G. On the dispersion of resistivity and dielectric constant of some semiconductors at audiofrequences. Physical Review, Ridge, NY, v. 81, n. 1, p. 121-124, jul. 1951. [6] SOOHOO, R. F. Theory and application of ferrites. Englewwood Cliffs, NJ: PrenticeHall, 1960. 280 p. [7] LEBOURGEOIS, R. et al. Permeability mechanisms in high frequency polycrystalline ferrites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, New York, NY, v. 160, p. 329332, jul. 1996. [8] VALENZUELA, R. Magnetic ceramics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1994. 312 p. [9] SMIT, R.; WIJN, H. P. J. Ferrites: physical properties of ferrimagnetic oxides in relation to their technical applications. Heindhoven, NL: Philips' Technical Library, 1959. 369 p. [10] MOULSON, A. J.; HERBERT, J. M. Electrocermaics: materials, properties, applications. 2. ed. New York: John Wiley & Sons, 2003. 557 p. [11] CHEN, Y. et al. Metal-bonded Co-ferrite composites for magnetostrictive torque sensor applications. IEEE Transactions on Magnetics, Piscataway, NJ, v. 35, n. 5, p. 3652-3654, set. 1999. [12] GREENWOOD, N. N.; EARNSHAW, A. Chemistry of the elements. 2. ed. Oxford, UK: Butterworth-Heinemann, 1997. 1341 p. [13] BRITO, V. L. O. Seleção, elaboração e caracterização de ferritas Ni-Zn para aplicação de monitores de corrente pulsada, 2007. 156f. Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica)- Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. [14] CAIRO, C. A. A. Otimização de parâmetros de prensagem isostática para minimização de defeitos de compactação de corpos cerâmicos, 1190. 141f. Dissertação II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 54 (Mestrado em Engenharia dos Materiais)- Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, SP, 1990. [15] REED, J. S. Principles of ceramic processing. 2. ed. New York, NY: WileyInterscience, 1995. 658 p. [16] MAAZ, K. et al. Synthesis and magnetic properties of cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles prepared by wet chemical route. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, New York, NY, v. 308, n. 2, p. 289-295, jan. 2007. [17] LEMOS, L. V. Propriedades eletromagnéticas de amostras policristalinas de CoFe2O4 na faixa de RF e micro-ondas. 2010. 90 f. Tese de mestrado em Física e Química dos Materiais Aeroespaciais) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. Art.9 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.50-55, 2013 55 WEBQUEST COMO FERRAMENTA DE APOIO A ALUNOS NA APRENDIZAGEM DE SENSORES E ATUADORES 1 J. S. Neto1*; A. Passaro2; C. T. Fernandes 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA - São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP * [email protected] 1 Palavras-chave: webquest; aprendizagem; imsld; sensores e atuadores. Introdução Atualmente, a internet é utilizada também como fonte de construção de conhecimento de alunos através de atividades de busca, organização e sistematização de informações. Contudo, muitas vezes os alunos têm dificuldade de escolher as informações úteis e/ou confiáveis, resultando em perda de foco da pesquisa e ineficiência no processo de aprendizagem. WebQuest2 (WQ) é uma técnica educacional orientada a investigação em que a maior parte ou toda a informação que os alunos utilizam também provém da web [1], mas a pesquisa é induzida pelo professor, que apresenta aos alunos um tema e uma tarefa exeqüível e interessante e que envolva participação ativa dos integrantes. A tarefa proposta deve estimular a pesquisa, o trabalho em grupo, o pensamento crítico e a produção de materiais. Neste sentido, o emprego de WebQuests beneficia o trabalho do professor por evitar que os alunos naveguem desconectados dos objetivos da atividade. WebQuests possuem um formato bastante característico com as seguintes seções, sendo que as cinco primeiras são obrigatórias: Introdução, Tarefa, Processo, Conclusão, Avaliação, Créditos e Página do Professor. O número de professores que utilizam WebQuests como uma técnica educacional para elaboração de atividades de aprendizagem tem aumentado no mundo [1], o que se pode constatar facilmente por uma busca na internet. As WebQuests possuem a virtude da navegabilidade simples e tem se mostrado acessíveis para entendimento tanto de professores quanto de alunos. Utilizada como uma forma mediadora entre o sujeito e o objeto de conhecimento, a técnica auxilia no desenvolvimento intelectual do aluno. Este desenvolvimento intelectual é explorado na WebQuest quanto a habilidade de coleta, resumo, síntese e avaliação da informação dentro de parâmetros claramente definidos, a fim de realizar uma tarefa autêntica definida pelo professor. No entanto, para construir WebQuests bem elaboradas é desejável que o professor domine o uso da linguagem HTML, ou de ferramentas específicas para geração de conteúdo em HTML, conhecidos como editores de HTML, o que não é uma tarefa trivial para professores em geral, com pouco conhecimento em informática [2]. A criação das estruturas para navegação pelo conteúdo, assim como publicar páginas em um site costumam exigir apoio de pessoal especializado e nem sempre disponível, dificultando o acesso das WebQuests aos professores interessados na técnica. Para facilitar e incrementar a adoção dessa técnica instrucional, foram desenvolvidos editores de WebQuests [2] como o da Figura 1, que possibilitam de forma simplificada a criação de WebQuests já no formato HTML. Contudo, limitar a criação de WebQuests apenas a estes editores e ainda gerar o conteúdo somente no formato HTML é limitar as possibilidades de reutilização das WebQuests produzidas por estes editores. Isto pode ser justificado no fato de 1 2 Projeto: Título do projeto de pesquisa do orientador ao qual este trabalho se insere. Mais informações sobre o modelo WebQuest disponível em <http://www.webquest.org/>. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.56-60, 2013 56 que WebQuests em HTML são difíceis de serem incorporadas no contexto de LMSs (Learning Management Systems), por não estarem nos formatos aceitos por estas plataformas. Figura 15: Exemplo de gerenciador de WebQuest com botões de edição [3] Dentre os sistemas de aprendizado eletrônico, os Sistemas de Gerenciamento de Aprendizagem (LMS, do inglês Learning Management Systems), são ambientes propícios ao desenvolvimento de atividades pedagógicas. Podemos citar como exemplos de LMS o Moodle [4] e o TIDIA-Ae/Sakai [5], que são acessíveis por meio de browsers. Estes ambientes disponibilizam ao usuário, professor e aluno, vários recursos que podem ser utilizados como estratégias de ensino. Fazem parte destes recursos, dentre outros, o chat, o fórum, e-mail, listas de discussão, blogs e teleconferência. A proposta deste trabalho é desenvolver um editor completo e moderno para a elaboração de WebQuests, com tecnologia equivalente ao dos editores da literatura e obedecendo ao padrão IMS Learning Design (IMSLD), que representa uma evolução dos sistemas de aprendizagem eletrônico, ao permitir o desenvolvimento de atividades de aprendizagem com base em qualquer modelo instrucional [6]. O uso do IMSLD diretamente pelo professor exigiria sua familiarização com o padrão de especificação de aprendizagem, além do conhecimento da linguagem de marcação padrão (XML), adotada pelo padrão por permitir a interoperabilidade entre sistemas e a reusabilidade do produto. Este fato acrescentaria uma dificuldade adicional para sua adoção por parte do professor, eliminada pelo editor proposto. O objetivo é criar um ambiente computacional simplificado tipo LMS com acesso por um browser, que inclua o Editor de WebQuests integrado ao IMSLD de forma transparente para o professor, permitindo que sua atenção seja voltada para a criação de WebQuests direto do browser de acordo com o seu modelo pessoal de aprendizagem a inclusão facilitada do conteúdo educacional que se deseja transmitir ao aluno. Nesse ambiente, o professor poderá criar Disciplinas, associar turmas de alunos às disciplinas e inserir material educacional em II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.56-60, 2013 57 diversos formatos, incluindo principalmente WebQuests escritas com a ajuda de um Editor de WebQuests associado ao ambiente. Cada aluno da turma será capaz de acessar as WebQuests disponíveis numa dada disciplina, que poderão ser visualizadas por meio de executor que entende o formato do padrão IMSLD e o apresenta num browser qualquer. O processo de avaliação do produto desenvolvido envolverá sua aplicação na área de Sensores e Atuadores Espaciais, no contexto do Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais do ITA. Metodologia A proposta de pesquisa inicia com o estudo dos diversos editores de WebQuests da literatura. Com base nesse estudo, o passo seguinte é completar o desenvolvimento de um Editor de WebQuests, bem como o do seu ambiente LMS. Como conseqüência deste Editor, serão elaboradas algumas WebQuests, propostas no processo de ensino e aprendizagem de Sensores e Atuadores para estudantes. Os professores que utilizarão o Editor e o LMS serão convidados a avaliar a usabilidade das ferramentas, a fornecer sugestões para sua melhoria e a relatar suas impressões quanto a efetividade do uso no processo de aprendizagem. Os alunos também serão atores do processo de avaliação de uso do LMS e de WebQuests quanto a usabilidade e efetividade no contexto da área. Este processo avaliativo deverá contemplar a Avaliação de Usabilidade do Editor de WebQuests, orientada pelas 10 heurísticas de Nielsen [7], buscando aperfeiçoamento da interface com o usuário. Poderão ser utilizados os padrões de projeto visando avaliar a qualidade das WebQuests geradas. Esses padrões buscam garantir que a WebQuest proporcione o desenvolvimento de habilidades de pensamento de nível elevado [8]. O Sistema será desenvolvido em linguagem Java bem como em outras tecnologias compatíveis com a Web moderna. Resultados e Discussão O processo de modelagem do Editor de WebQuests que obedeça ao padrão IMS Learning Design (IMSLD) foi iniciado com uma análise de equivalência entre os elementos estruturantes, também denominados componentes, de uma WebQuest padrão e os elementos mínimos e necessários da especificação IMSLD. A partir destes apontamentos, apresentamos na Figura 2, um esboço da proposta de equivalência entre a estrutura de uma WebQuest com seus elementos constitutivos ao padrão para especificação de Projetos de Aprendizagem IMS Learning Design. Figura 2. Proposta de mapa de equivalências entre WQ e IMSLD II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.56-60, 2013 58 A estrutura de uma WebQuest permite que a atividade executada pelos alunos possua as características de um projeto, e no desenvolvimento de um projeto, em primeiro lugar, surge a idéia, que na WebQuest é representada pela Introdução [1]. Além de apresentar o assunto e despertar a curiosidade do aluno entendeu-se que a Introdução também deva informar ao aluno quais são os pré-requisitos de entrada envolvidos nas atividades de aprendizagem a nível de unidade de aprendizagem ou individual. A clara definição das habilidades a serem empregadas/exercitadas na resolução/investigação de uma problemática é a principal informação a ser apresentada no componente Tarefa. Além disso, este elemento, que evoca uma ação e informa o que deve ser feito, proporciona a elaboração de um produto criativo que entusiasme, motive e desafie os alunos. Por esta razão foi atribuída a relação entre Tarefa e o elemento Peça, da especificação IMSLD. A Peça especifica que papéis desempenham que atividades em que ordem. Uma Peça é modelada de acordo com uma peça teatral com os atos e participações. Em geral: uma peça consiste de uma seqüência de Atos. Logo, é na seção Tarefa em que devem ser especificados os tipos de atores que podem estar envolvidos, a ideia geral da Tarefa com os títulos gerais das macro-atividades (SubTarefas/Peças) a serem realizadas e sua ordem geral. O componente Processo descreve passo a passo a dinâmica da atividade, ou seja, como os alunos irão caminhar para desenvolver a Tarefa. Dessa forma, este componente foi relacionado ao elemento Ato, no qual, diversas atividades são definidas para diferentes funções e são executadas em paralelo. Quando um Ato for concluído, os próximos Atos começam até que sejam cumpridos os requisitos de conclusão do projeto de aprendizagem [6]. Já o componente Recursos, são informações que permitem concretizar a Tarefa em uma WebQuest. Normalmente, os Recursos são sites que o autor ou autores da WQ já pesquisaram, verificaram a autenticidade e consideram relevantes e necessários para os alunos. Entendemos que o elemento Ambiente da especificação de aprendizagem seja equivalente a Recursos no IMSLD por ser uma coleção estruturada de objetos de aprendizagem, serviços e sub-ambientes em que as atividades ocorrem. A Avaliação em uma WebQuest, deve apresentar aos alunos, com clareza, como o resultado da Tarefa será avaliado e quais fatores serão considerados. Por esta razão que a forma de avaliação deverá ser por Rubrica, por ser considerada uma metodologia de avaliação adequada, uma vez que permite avaliar a proficiência do avaliado em diferentes níveis e possibilita detalhar a avaliação em um conjunto de indicadores direcionados para diagnosticar problemas específicos, diminuindo ou eliminando a subjetividade, que é um problema muito freqüente, não só na área acadêmica, mas também em outras atividades profissionais. É oportuno destacar que com o desenvolvimento do Editor de WebQuests proposto neste trabalho, um trabalho futuro consiste em promover a integração dele com um Editor de Rubricas, já desenvolvido [9], visando desenvolver uma família de editores de módulos de aprendizagem para uso em ambientes de apoio à aprendizagem baseados na Web. O registro dos resultados obtidos com a WebQuest é representado no componente Conclusão. Desse modo, a Conclusão resume o propósito geral do que foi aprendido e indica como o aluno pode continuar os estudos sobre o assunto [1]. É na Conclusão que o elemento Objetivos de Aprendizagem do IMSLD adiciona o resultado esperado para os alunos tanto a nível global da Unidade de Aprendizagem como para cada atividade de aprendizagem única no Projeto de Aprendizagem [6]. A Página do Professor, componente não obrigatório de uma WebQuest mas bastante útil não foi relacionado explicitamente no modelo proposto pois as informações que normalmente são encontradas neste componente, foram atenditas após a equivalência com a especificação. Uma vez descritas todas as informações nos elementos pertentecentes a Componentes e Métodos do padrão, entendeu-se que não há necessidade de reproduzir estas informações na Página do Professor. Finalmente, o componente Créditos aponta todo o material utilizado pelos autores para a preparação e construção da WebQuest assim como informações para contatos. Por conta disso entendemos que o elemento II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.56-60, 2013 59 Metadados da especificação pode estar devidamente correspondido em Créditos. Os Metadados trazem detalhes sobre os autores, palavras-chave, assunto, versão, localização, regras de uso e propriedade intelectual, requisitos técnicos, tipo de mídia utilizada e nível de interatividade, entre outras informações. Esta integração de elementos implica que a WQ passa a ser considerada como uma Unidade de Aprendizagem, uma vez que cada componente da WebQuest (WQ) possui rigorosamente um elemento equivalente à especificação de Projeto de Aprendizagem IMSLD. Em outras palavras, a WebQuest representa uma UA por conter os elementos necessários ao processo de ensino/aprendizagem. Conclusão O Editor proposto pode contribuir significativamente para o trabalho do professor, facilitando o desenvolvimento de WebQuests, em especial quando atendem ao padrão de especificação de aprendizagem IMS Learning Design. Esta integração, oferecida a partir de um LMS pode contribuir para a aprendizagem concreta dos alunos por tornar os processos de aprendizagem mais eficazes, permitindo condições de aprendizado ideais mais explícitas. Além disso, ao tornar a WQ um IMSLD, possibilitará que a WebQuest se beneficie de inúmeras outras Unidades de Aprendizagem IMSLD. Outra vantagem para a WQ seria o uso de Rubricas na avaliação, pois ampliam possibilidades quanto ao ensino à distância ou semipresencial, e as formas de avaliação. Para o ITA, ter uma ferramenta que integra o Rubrica a um Ambiente de desenvolvimento de IMS-LD-WQ, numa perspectiva de usuário de WebQuest, agrega valor à usabilidade e a acessibilidade do padrão IMS-LD e do Rubrica, bem como possibilita maior difusão dessas ferramentas, permitindo que experts WQdevelopers desenvolvam bons conteúdos IMS-LD mas gerando uma WQ estruturada pelo padrão IMSLD. Agradecimentos Os autores agradecem ao ITA e ao IEAv pela oportunidade de realizar este trabalho. Referências [1] ABAR, Celina A. A. P.; BARBOSA, Lisbete Madsen. WebQuest: Um desafio para o Professor. São Paulo: Avercamp, 2008. 100p. [2] CAMARGO, EZ; FERNANDES, CT. WQE: um Editor de WebQuests Versátil. In: Anais do Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, p. 10, 2010. [3] SPIGOTTI, W. M. M. Sistema de Gerenciamento de WebQuest voltado a Taxonomia de Tarefas. Alto Araguaia, 2012. 73p. Monografia (Licenciatura em Computação) Universidade do Estado de Mato Grosso. [4] SILVA, LAM; BARRETO, LP. Interoperabilidade de unidades de aprendizagem do IMS Learning Design em ambientes virtuais de aprendizagem. In: Anais do XIX Simpósio Brasileiro de Informática na Educação, n. Sbie, 2008. p. 390-399. [5] SILVA, V.; SANCHES, S. Camada de interoperabilidade entre o ambiente de aprendizagem tidia-ae e ambientes virtuais tridimensionais. In: Anais do XV Workshop do Congresso Brasileiro de Informática na Educação. Porto Alegre: Brasil, 2009. p. 1 -10. [6] KOPER, Rob; TATTERSALL, Colin. Learning Design. Springer Netherlands, 2010. [7] BARBOSA, S. D.J; SILVA, B.S. da. Interação Humano-Computador. Elsevier, 2010. [8]DODGE, Bernie. WebQuest Design Patterns. Disponível em: <http://webquest.sdsu.edu/designpatterns/all.htm>. Acesso em: 13 fev. 2013. [9] CARVALHO, R Silva; FERNANDES, Clovis Torres. Easy Rubric: um Editor de Rubricas no Padrão IMS Rubric. Anais do Workshop do Congresso Brasileiro de Informática na Educação, 2012. p. 10-11. Art.10 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.56-60, 2013 60 COMPARAÇÃO DA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO PRODUZIDO COM DIFERENTES MATERIAIS CATALISADORES 1 J. C. Arisseto1; F. Dondeo 2* Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: ácido, porosidade, carbonização, polimento. Introdução Dentre diversos tipos de carbonos poliméricos destaca-se o carbono vítreo monolítico (CVM) [1,2], o qual possui este nome pois sua fratura e sua aparência são similares ao do vidro. O CVM é obtido através da adição de um catalisador [3] à resina precursora rica em carbono, como por exemplo, a resina furfurílica, para que assim ocorra a sua polimerização. Em seguida o material é colocado em seus devidos moldes e, após alguns dias, as amostras, já rígidas, são levadas ao forno a até 1200ºC — em atmosfera inerte ou vácuo para que haja liberação de água, metano, hidrogênio, CO2, entre outros voláteis — onde serão carbonizadas. Feita a carbonização, as amostras encontram-se com uma matriz pura de carbono. Este projeto de Iniciação Cientifica teve como objetivo a comparação de diferentes tipos de catalisadores a fim de reduzir a porosidade superficial das amostras de Carbono Vítreo, a qual é a principal responsável pelo aparecimento de trincas nas peças carbonizadas [4]. Metodologia Para que a comparação da porosidade do CVM fosse possível, empregaram-se os seguintes catalisadores sobre a resina: p-tolueno sulfônico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido sulfúrico e o ácido fosfórico. Todos eles, com exceção do fosfórico (por já ser naturalmente um ácido fraco), foram diluídos em água em uma razão de 1:1 (vol/vol). O p-tolueno sulfônico é um ácido sólido e foi diluído em água na razão em massa de 70%. Com um dos catalisadores já vertido sobre a resina, foi feita uma mistura manual por aproximadamente 5 minutos seguida de centrifugação a 3000 rpm durante 7 minutos. Posteriormente a isto, as amostras foram deixadas em repouso em seus respectivos moldes plásticos. Dependendo do catalisador utilizado, alguns levaram mais tempo (horas ou até mesmo dias) para se polimerizarem completamente em relação à outros. Porém, algumas das peças não foram polimerizadas totalmente como o esperado, que foi o caso das amostras de ácido sulfúrico, nítrico e fosfórico. Com isso, foi necessário um processo de cura dessas amostras, as quais foram levadas ao forno até uma temperatura de 150ºC, controlada pelo computador. Assim que foram curadas, as mesmas foram encaminhadas a um processo de polimento utilizando-se primeiramente lixas de número 800 e 1500, posteriormente foram polidas com discos para fibra óptica Fibrmet Discs de partículas de tamanho 12 e 9 micrometros, nesta ordem e finalizando-as com pó de alumina AROTEC (0,3 µm e 0,05µm, nesta ordem). Todo esse processo foi necessário para que fosse possível analisá-las utilizandose uma magnificação de 100x no Microscópio Óptico Reichert Polyvar Met2. Foram registradas pelo menos 10 imagens de cada superfície estudada e através delas, calculou-se a média da porosidade e o diâmetro de Feret dos poros usando o software ImageJ. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.61-64, 2013 61 As amostras restantes polimerizadas, além das já curadas, foram levadas diretamente ao forno para uma carbonização à 1050ºC (com duração de 1 semana). Depois de carbonizadas, todas as peças que ainda restavam ser polidas foram niveladas separadamente através do Rebolo e depois coladas com cera de abelha em um prato de vidro. Em seguida, foram usinadas com rebolo de diamante durante 4 horas, deixando-as niveladas. O prato foi todo polido com pó de diamante de granulações de tamanho 6 µm e 1 µm com duração de 8 horas cada uma. O resultado final de todo este procedimento pode ser observado na Figura 1. Figura 1. Prato de vidro com as amostras de CVM já polidos Um resumo dos dados e processos envolvendo cada catalisador é indicado na Tabela 1: Catalisador Tabela 1. Amostras preparadas Concentrações Cura (%) 0,5; 1,5; 2; 3; 4; 4,5 1; 1,5; 2 150ºC* Carbonização Ácido clorídrico 970~1200ºC (HCl) P-tolueno sulfônico 970~1200ºC Ácido sulfúrico 0,5; 2,2; 4,6 150ºC* 1050ºC (H2SO4) Ácido nítrico 0,5; 3; 4,5 150ºC 1050ºC (HNO3) Ácido fosfórico 0,5; 1,5; 4,5 150ºC* 1050ºC (H3PO4) *Amostras que sofreram deformação durante o processo de cura. Resultados e Discussão Em relação ao tempo de polimerização, os mais rápidos foram com o ácido clorídrico, ácido nítrico e p-tolueno sulfônico. O contrário ocorreu com os ácidos sulfúrico e fosfórico, os quais demoraram semanas para se enrijecerem, principalmente as amostras feitas em menores concentrações. Já em relação à porosidade, apenas as peças de ácidos sulfúrico (2,2% e 4,6%), nítrico (0,5%), fosfórico (1,5% e 4,5%), clorídrico (2%) e p-tolueno (1,5%) foram analisadas duas vezes pelo microscópio até o momento: primeira vez feita após o processo de cura e a segunda realizada após a carbonização. É importante citar que depois de terminada essa fase de cura, as amostras de H2SO4 e H3PO4 apresentaram uma grande deformação em sua estrutura (Aparecimento de uma região vazia após corte da amostra). Tal acontecimento devese possivelmente ao fato das peças não terem sido polimerizadas totalmente, uma vez que esta II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.61-64, 2013 62 0 H2SO4 4.6% H2SO4 2.2% H3PO4 4.5% HNO3 0.5% 24 cured at 150ºC 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 HCl 2.0% Feret (m) H2SO4 4.6% H2SO4 2.2% H3PO4 1.5% H3PO4 4.5% 5 HNO3 0.5% 10 HCl 2% 15 p-tolu 1.5% Porosity (%) 20 cured at 150ºC p-tolu 1.5% 25 H3PO4 1.5% região não curada liberou uma grande quantidade de gases e voláteis para a superfície, ocasionando então este inchaço nas amostras. Segundo as imagens obtidas de cada amostra curada e os dados sobre a porosidade apresentados pelo programa ImageJ, percebeu-se que o HNO3, H2SO4 2,2% e H3PO4 apresentaram baixa porosidade; e o p-tolueno sulfônico alta quantidade de poros. Nas Figuras 2 e 3 estão indicados respectivamente os valores de porosidade média e a média do diâmetro de Feret dos poros de cada catalisador. Catalyst Catalyst Figura 2. Porosidade média. Figura 3. Média de diâmetro de Feret. 10 5 4 3 8 HNO3 0.5% 12 carbonized at 1050ºC HCl 2% 6 14 p-tolu 1.5% 7 HNO3 0.5% Porosity (%) 8 carbonized at 1050ºC Feret (m) 9 HCl 2% 10 p-tolu 1.5% Em seguida, após as amostras terem sido carbonizadas, repetiu-se novamente o processo de captura de pelo menos 10 imagens de cada peça, porém desta vez utilizando apenas uma amostra de cada catalisador (os quais foram citados acima), e foram feitas suas análises. Curiosamente, a quantidade de poros presente e seus diâmetros de Feret apresentados após esta segunda etapa de carbonização diminuíram, assim como também ocorreu uma redução no volume das amostras, como pode ser observado pelas Figuras 4 e 5. Com isso, percebeu-se o quanto a fase inicial da polimerização, a catálise, centrifugação, as características da resina, a temperatura de cura, entre outros processos são importantes, a fim de tentar evitar desde o começo a formação de muitos poros. 6 4 2 2 1 0 Catalyst Figura 4. Porosidade média. 0 Catalyst Figura 5. Média de diâmetro de Feret. Conclusão Segundo as informações, análises, comparações e dados obtidos durante os experimentos realizados nesta trajetória do projeto, as amostras que apresentaram mais características favoráveis em relação à porosidade após a cura e a carbonização foram os ácidos nítrico e clorídrico. Já o ácido fosfórico e sulfúrico foram descartados devido ao fato destes possuírem o maior tempo necessário para a polimerização e também por apresentarem uma deformação durante o processo de cura. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.61-64, 2013 63 Agradecimentos Ao PIBIC/CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica e ao IEAv pela oportunidade. Referências [1] ZARZYCKI J.; Materials Science and Technology – a Comprehensive Treatment – Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, 1991. [2] JENKINS, G. M.; KAWAMURA K.; Polymeric carbons – carbon fibre, glass and char, Cambridge, New York, Cambridge University Press, 1976. [3] CHENG L. T., , TSENG W. J, J. Polym. Res. 17, (2010) 391-399. [4] FERNANDES L.; DONDEO F.; DAMIÃO A. J., Influência do catalisador na porosidade do carbono vítreo monolítico. Anais do 1ª Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, 2012, São José dos Campos, Brasil. Art.11 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.61-64, 2013 64 CARACTERIZAÇÃO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE DE CARBONO VÍTREO IRRADIADOS A LASER 1 A. Aumiller1, F. Dondeo2* Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: carbono vítreo monolítico; laser pulsado; padrões periódicos de rugosidade; laser Nd-Yag. Introdução O Carbono Vítreo Monolítico (CVM) [1] é um material de carbono puro, classificado como carbonoso de origem polimérica que combina as propriedades dos materiais cerâmicos e vítreos com as propriedades do grafite, fato que o leva a possuir uma grande variedade de propriedades materiais únicas e também a possuir inúmeras aplicações em diferentes setores [2]. Nesse projeto, o CVM foi utilizado para a produção de padrões de rugosidade, ranhuras paralelas irradiadas a laser, que possuem medidas conhecidas, obtidas por meio da medição de uma superfície, e que servem como referência para calibrar Rugosímetros. O motivo da escolha desse material se deu ao fato de que, ao começar o processo de irradiação das ranhuras na amostra, o laser faz com que o oxigênio e o carbono (presente na amostra) reajam, e a conseqüência disso é a formação e liberação de CO2, perda de massa e a geração de uma ranhura sem resíduos no local de acordo com o movimento do feixe de laser ou da mesa XY. O objetivo deste trabalho foi encontrar, por meio da análise dos dados obtidos tanto no microscópio óptico quanto no rugosímetro, as melhores condições e parâmetros do laser empregado na irradiação das amostras de CVM. Essas amostras irradiadas servirão como base para o desenvolvimento de padrões de rugosidade que possuam valores conhecidos e sejam utilizados na calibração de rugosímetros [3]. Metodologia Utilizaram-se amostras de CVM produzidas no próprio IEAv, a partir da resina furfurílica. Na primeira metade do projeto utilizou-se o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) com velocidade de varredura do laser de 7 cm/s e variando-se o número de passadas do feixe sob a amostra em 1, 2, 3, 4, 6, 8, 9 e 12 passadas, com o objetivo de produzir micro ranhuras paralelas nas amostras. No Laser Nd-Yag (2º Harmônico) o feixe de laser se movimenta sob a superfície da amostra parada, por meio de movimentos de espelhos dentro do dispositivo ScanHead, posicionado entre o laser e a amostra. Podemos observar as informações referentes aos Lasers utilizados no projeto na Tabela 1. Para tais experimentos foram utilizadas amostras de CVM que ainda estavam polimerizadas e que foram posteriormente carbonizadas a 1200º C em um forno tubular EDG após a irradiação. Utilizaram-se também amostras que já se encontravam na forma de CVM, ou seja, já haviam sido submetidas à carbonização a 1200ºC e depois sofreram o processo de irradiação mantendo-se as mesmas condições do laser. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.65-69, 2013 65 Ainda utilizou-se uma amostra de CVM previamente carbonizada a 1200ºC que foi irradiada pelo Laser AVIA 355-7000 modelo 355-x, 3º Harmônico [4]. Escolheu-se o laser Nd-Yag (3º Harmônico) pelo fato de que, sendo o seu diâmetro de feixe focalizado menor e a intensidade maior, o laser produzia ranhuras mais regulares, mais espessas e sem tantas trincas e defeitos. No Laser Nd-Yag (3º Harmônico), a amostra é movimentada por meio de uma mesa coordenada XY, controlada por computador, que permite a marcação da amostra com velocidade controlada. Na segunda metade do projeto foram utilizadas três amostras de CVM, as quais foram respectivamente pré-carbonizadas a 1200º C, polidas, e irradiadas pelo Laser Nd-Yag (3º Harmônico), utilizando-se diferentes velocidades de varredura do laser (50 mm/min, 100 mm/min, 300 mm/min e 500 mm/min) e variando-se o número de passadas do feixe sob a amostra em 1, 2 e 4 passadas. Com o objetivo de coletar fotomicrografias das microranhuras geradas pelo Laser, todas as amostras irradiadas foram submetidas a uma análise microscópica por meio do microscópio óptico Reichert Polyvar 2 Met. O passo seguinte foi utilizar o Rugosímetro Taylor Robson PGI-1000, que é um dispositivo que fornece o detalhamento, em duas ou três dimensões, da topografia da superfície de uma amostra. A análise dos resultados foi realizada através do software TalyMap Gold. Essa medição é realizada por meio de um apalpador de diamante, que se desloca ao longo do material, e mede os picos e vales da amostra. Por meio do rugosímetro, foram obtidos resultados importantes para se definir os melhores parâmetros e condições para a irradiação de ranhuras nas amostras. Tabela 2: Parâmetros dos lasers empregados. Nd:YAG (2º Nd:YAG (3º Harmônico) Harmônico) Marca Quantronix AVIA λ (nm) 532 (verde) 355 (ultravioleta) Diâmetro focal (m) 300 50 Largura temporal (ns) 120 33 5 1,2 0,021 0,132 5,05 0,032 Taxa de repetição dos pulsos (kHz) Intensidade média (mW/m2) Intensidade de pico (W/ Resultados e Discussão Utilizando o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) foi elaborado um gráfico comparativo [Figura 1] entre a profundidade total das ranhuras da amostra de CVM, irradiada quando ainda era resina polimerizada e depois aquecida a 1200ºC, e a amostra de CVM que foi irradiada após ser carbonizada a 1200º C. Ambas as amostras foram irradiadas sob as mesmas condições do Laser Nd-Yag (2 Harmônico), utilizando uma potência de 1 W a uma velocidade de varredura do laser de 7 cm/s, o que nos mostra que a diferença de profundidade entre as ranhuras das duas amostras analisadas é bastante significativa. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.65-69, 2013 66 Figura 1. Gráfico de comparação entre a profundidade total das ranhuras das amostras CVM e Resina Polimerizada. Por meio dos dados obtidos com o Laser AVIA 355-7000, nota-se que a ranhura da amostra de CVM irradiada a Laser Nd-Yag (2º Harmônico) [Figura 2] é menos regular, não tão definida e possui mais trincas que a ranhura da amostra de CVM irradiada a Laser Nd-Yag (3º Harmônico) [Figura 3]. Figura 2. Magnificação 100X de ranhura da amostra de CVM irradiada por laser Nd-Yag (2º Harmônico). Figura 3. Magnificação 100X de ranhura da amostra de CVM irradiada por laser Nd-Yag (3º Harmônico). Podemos observar essa diferença também no perfil de rugosidade da amostra de CVM que foi irradiada a 2 passadas de Laser Nd-Yag (2º Harmônico) quando já havia sido carbonizada [Figura 4], e no perfil de rugosidade de outra amostra de CVM, a qual foi irradiada a 2 passadas de Laser Nd-Yag (3º Harmônico) [Figura 5]. Foram detectadas irregularidades nas ranhuras produzidas pelo Laser Nd-Yag (3º Harmônico) [Figura 6]. µm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 0 .7 5 0 .5 0 .2 5 0 -0 .2 5 -0 .5 -0 .7 5 -1 -1 .2 5 -1 .5 -1 .7 5 0 M ax imum dept h 0 .2 5 0 .5 0 .7 5 1 1 .2 5 1 .5 1 .7 5 2 2 .2 5 2 .5 2 .7 5 3 3 .2 5 3 .5 3 .7 5 4 4 .2 5 m m 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.577 µm 0.607 µm 0.440 µm 0.558 µm 0.502 µm 0.523 µm 0.484 µm 0.559 µm 0.533 µm 0.601 µm 0.665 µm 0.595 µm 0.580 µm 0.481 µm Figura 4. Perfil de ranhura da amostra de CVM gerado pelo rugosímetro. A amostra foi irradiada por Laser Nd-Yag (2º Harmônico) com 2 varreduras de laser. M ean dept h Widt h 0.461 µm 0.454 µm 0.364 µm 0.452 µm 0.421 µm 0.451 µm 0.433 µm 0.446 µm 0.416 µm 0.474 µm 0.511 µm 0.467 µm 0.451 µm 0.414 µm 0.0335 mm 0.0348 mm 0.0316 mm 0.0339 mm 0.0356 mm 0.0329 mm 0.038 mm 0.0348 mm 0.0403 mm 0.0367 mm 0.0385 mm 0.0349 mm 0.0366 mm 0.033 mm II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.65-69, 2013 67 µm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 0 M a xim u m d e p th 0 .2 5 1 .5 1 .7 5 1 0 .5 2 0 .7 5 3 1 1 .2 5 4 5 6 2 7 2 .2 5 8 2 .5 9 2 .7 5 10 3 11 3 .2 5 12 3 .5 3 .7 5 13 4 14 4 .2 5 m m 15 3 .6 2 µm 2 .5 3 µm 4 .1 0 µm 3 .1 2 µm 4 .6 0 µm 3 .7 4 µm 3 .5 3 µm 2 .7 3 µm 3 .6 5 µm 2 .7 5 µm 3 .8 0 µm 3 .8 0 µm 3 .2 0 µm 3 .1 4 µm 3 .3 5 µm Figura 5. Perfil de ranhura da amostra de CVM gerado pelo rugosímetro. A amostra foi irradiada por Laser Nd-Yag (3º Harmônico) com 2 varreduras de laser. M e a n d e p th Wid th 3 .3 6 µm 2 .3 9 µm 3 .6 9 µm 2 .9 1 µm 4 .1 1 µm 3 .4 3 µm 3 .1 7 µm 2 .5 7 µm 3 .3 3 µm 2 .5 9 µm 3 .3 5 µm 3 .4 4 µm 2 .9 6 µm 2 .9 0 µm 3 .1 2 µm 0 .0 6 1 5 m m 0 .0 3 8 4 m m 0 .0 6 4 9 m m 0 .0 5 2 1 m m 0 .0 6 9 4 m m 0 .0 5 9 1 m m 0 .0 5 5 5 m m 0 .0 4 3 5 m m 0 .0 5 7 9 m m 0 .0 4 4 7 m m 0 .0 5 8 8 m m 0 .0 6 2 m m 0 .0 5 2 7 m m 0 .0 5 2 1 m m 0 .0 5 3 7 m m Realizaram-se diversos testes com o intuito de se identificar a causa desse problema. Descartaram-se as suspeitas iniciais de que essas irregularidades periódicas fossem conseqüência de uma flutuação da intensidade do Laser Nd-Yag (3º Harmônico) ou de uma ressonância nos motores de passo da mesa XY. Este erro foi devido a um problema no computador no qual o software controlava a mesa XY operava, feito a substituição do computador por outro, o problema foi sanado e os experimentos decorreram normalmente, fato que pode ser visto na comparação das fotomicrografias representadas nas figuras 7 e 8 respectivamente. Figura 6. Imagem 3D da amostra de CVM com irregularidades periódicas, irradiada pelo Laser UV (3º Harmônico) com 2 varreduras de laser, gerada pelo rugosímetro. Figura 7. Ranhura com irregularidades periódicas, da amostra de CVM irradiada por Laser Nd-Yag (3º Harmônico). Figura 8. Ranhura sem irregularidades periódicas, da amostra de CVM irradiada por Laser Nd-Yag (3ºHarmônico). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.65-69, 2013 68 Conclusões Considerando os dados obtidos, pode-se observar que: em relação às amostras irradiadas pelo Laser Nd-Yag (2º Harmônico), as ranhuras das amostras que foram irradiadas após serem carbonizadas não apresentaram o formato periódico desejado das ranhuras, além de terem profundidade reduzida. Sendo assim, verificou-se que o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) não é o ideal para esse tipo de amostra. Somente alcançaram-se bons resultados com a irradiação de amostra polimerizada. Ao comparar os resultados obtidos pelo Laser Nd-Yag (3º Harmônico), que apresenta maior intensidade, com os resultados preliminares obtidos pelo Laser Nd-Yag (2º Harmônico), conclui-se também, que as amostras irradiadas pelo o Laser Nd-Yag (3º Harmônico) apresentaram ranhuras mais regulares e sem trincas. Observou-se também uma interessante aplicação do CVM em um escopo fora do previsto no início do projeto. Depois de solucionado o problema no computador, concluiu-se que o CVM, ao ser irradiado pelo laser, gera uma “impressão digital” do laser no material, a qual pode ser útil no que diz respeito à detecção de alterações e defeitos relacionadas ao laser e aos seus mecanismos de controle como por exemplo, o computador que opera o laser. Com isto, conclui-se que este projeto teve importância na busca por parâmetros e informações que servirão como base para o aperfeiçoamento desse método alternativo aos conhecidos atualmente, no que diz respeito ao desenvolvimento de padrões de rugosidade que possuam valores conhecidos e sejam utilizados na calibração de rugosímetros. Agradecimentos Ao PIBIC/CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica, ao IEAv, aos doutorandos. Emmanuela Melo De Andrade Sternberg e José Guilherme Simões pelo apoio. Referências [1] ZARZYCKI, J. Materials Science and Technology – A Comprehensive Treatment – Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, 1991. [2] SHACKELFORD, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers. [S.I]: Prentice Hall Ptr, 1988. [3] DONDEO, F.; DAMIÃO, A.; SIMÕES, G.M.; AUMILLER, A. Anais do XXXIIII CBRAVIC, pag. 64 (2012). [4] SANTOS, C. Determinação dos parâmetros ótimos de operação de um laser de Cu-HBr.1999. 115p. Tese (Mestrado) - Curso de Física, Departamento de Física Atômica e Nuclear, Ita, São José dos Campos. Art.12 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.65-69, 2013 69 DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ESPELHOS SOBRE O CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO B. T. Sais1; F. Dondeo²* Universidade Federal de São Paulo – ICT, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – EFO-O, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: carbono vítreo, deposição, espelhos, limpeza, filme fino. Introdução Carbono Vítreo Monolítico (CVM) [1,2] é um material feito de carbono, e sua configuração não é natural, ou seja, não é encontrada na natureza. É feito a partir de uma resina rica em carbono (normalmente a furfurílica ou a fenólica), polimerizada e, depois, carbonizada a altas temperaturas. É um material de diversas características interessantes: inerte quimicamente, rígido, condutor de eletricidade, biocompatível, resistente a altas temperaturas e apresenta baixa densidade (1,5 g/cm³) sendo, portanto, bastante leve. Filme fino é qualquer camada (ou conjunto de camadas) de material, líquido ou sólido, cuja espessura é inferior a 10 µm. Possuem diversas aplicações, de lentes anti-reflexo à células solares. Podem ser de dois principais tipos: transparentes e refletores, sendo o último aplicado na obtenção de espelhos, objetivo deste trabalho. Uma das formas de deposição de filmes finos, inclusive para a produção de espelhos, são as deposições a vácuo, sendo um dos principais tipos o sputtering, também conhecido como pulverização catódica. O sputtering é um método que consiste no bombardeio de um alvo (do material que será feito o filme) com partículas aceleradas de um gás inerte, normalmente o argônio (por ser mais pesado e menos custoso). Quando o gás colide contra o alvo, arrancalhe partículas, que são condensadas sobre o substrato, criando o filme fino. Para analisar-se a qualidade de um espelho, diversas propriedades devem ser estudadas, como a rugosidade do filme especular e sua refletividade, que é a relação entre o fluxo de luz incidente numa superfície e o fluxo refletido. Unindo-se as características já citadas do carbono vítreo (baixa densidade e resistência, mesmo a altas temperaturas) e as técnicas de deposição de filme fino, conclui-se que espelhos espaciais feitos a partir de tal substrato são possivelmente mais interessantes do que os espelhos confeccionados em vidro. Teoria sobre rugosidade A rugosidade de uma superfície pode ser avaliada por diferentes parâmetros de rugosidade, cada um deles definido de uma forma diferente. Há dois parâmetros especialmente relevantes na rugosidade: o Ra e o Rz. Ra define-se como a rugosidade média da superfície, sendo então a soma das áreas acima e abaixo da linha média dividida pelo comprimento L adotado. Rz é média da distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo dentro de um comprimento L. Este comprimento L é dividido em cinco comprimentos de amostragem denominados cutoffs, dentro do qual a diferença entre o pico mais alto e o vale mais baixo é calculado. A Fig. 01 mostra um perfil cujo Ra é calculado, sendo as partes escuras referentes às áreas dos picos e vales. A Fig. 02 mostra a mesma imagem, agora ajustada para o cálculo do Rz. Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 mostram a divisão da área em cinco cutoffs. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.70-74, 2013 70 Figura 01. Perfil de Ra. Figura 02. Perfil de Rz. A equação 1 mostra como o cálculo do Ra é feito. A equação 2 mostra o cálculo do Rz. Sendo A, na equação 1, a soma das áreas dos picos e dos vales dentro de um comprimento L da amostra. Na equação 2, o termo n significa a divisão feita dentro do comprimento L (no caso, n=5). Metodologia Inicialmente, foi feita a caracterização de uma amostra de carbono vítreo monolítico produzida no IEAv, a 1100 ºC e de formato cilíndrico. Essa foi primeiramente lixada em lixas d’água, com granulações de 600, 800 e 1200. O tempo total de lixamento foi de três semanas, sendo que a superfície da amostra após este período ainda mostrava-se pouco homogênea. A fim de otimizar o processo, a amostra foi polida com pó de carbeto de silício. O acabamento deu-se com pano azul de polimento e solução de alumina com água. A limpeza da peça, para remover resíduos do polimento e gordura, foi feita em três ciclos de ultrassom, contando cada ciclo com uma etapa de limpeza em água destilada e sabão neutro e outra de álcool isopropílico. Sem um processo eficaz de limpeza, uma camada de sujeira atrapalharia ou impossibilitaria a adesão do filme ao substrato de carbono vítreo. Após a lavagem, a peça foi levada ao rugosímetro Taylor Robson PGI 1000, para possibilitar uma comparação nas rugosidades da peça sem e com o filme. A amostra foi então colocada em uma câmara de deposição por dc-sputtering, onde a pressão foi reduzida a 10-5 mbar e, em seguida, foi depositado filme especular com alvo de alumínio. Novamente a rugosidade da amostra, agora com o filme fino, foi medida no rugosímetro. A refletância difusa da amostra também foi feita, num espectofotômetro JASCO, com acessório de esfera integradora, capaz de medir no intervalo entre 220 nm e 2000 nm. Em seguida, dezenove pastilhas de carbono vítreo monolítico foram coladas em um prato de polimento com piche vegetal e levadas à usinagem, onde sofreram processo de polimento e esmerilhamento. O piche vegetal foi empregado por possuir baixo ponto de fusão (aproximadamente 70ºC). Terminado o processo, microscopia das mesmas foram obtidas em um microscópio Reichert Polyvar 2 com magnificação total de 25x, para que a porosidade das amostras fosse medida. A análise de porosidade foi realizada com o software ImageJ. A rugosidade Ra e Rz das amostras também foram medidas, através do rugosímetro Taylor Robson PGI 1000. Em algumas amostras, se mediu a rugosidade numa área, ao invés de uma II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.70-74, 2013 71 linha. Neste caso, os parâmetros lineares Ra e Rz são renomeados de Sa e Sz por se tratar de uma superfície. Após esta análise, o prato de polimento foi imerso em querosene por um dia. O piche ao redor das pastilhas dissolveu-se, porém, o piche que colava as amostras apenas amoleceu, sendo necessário exercer esforço mecânico com um bastão de vidro para descolar as amostras do prato. Iniciou-se então metódico processo de limpeza das amostras, visando selecionar um meio eficaz e otimizado para remover-se o piche das mesmas. Resultados e Discussão Tendo o CVM poros em sua superfície, parte da cera ou piche utilizados para colá-lo no prato de polimento migram para o interior destes poros, prejudicando a qualidade e contaminando o filme fino a ser depositado. A Fig. 3 mostra as pastilhas de CVM polidas e esmerilhadas, coladas no prato de polimento com piche vegetal. A Fig. 4 mostra uma microscopia em magnificação total 25x de uma amostra contaminada de piche vegetal. Logo, numa etapa fundamental deste trabalho, procurou-se um método de limpeza eficaz do substrato polido de CVM para a deposição de espelhos. As dezenove pastilhas de CVM foram divididas em lotes, e cada um foi testado com um solvente diferente, sendo os solventes testados: querosene, acetona, álcool isopropílico, benzeno, hexano e diversos ácidos, como HNO3, H3PO4, H2SO4, HCl e ácido glacial. Verificou-se que o método mais eficaz foi a limpeza em ultrassom com acetona aquecida a 60ºC, por no mínimo três ciclos. Uma limpeza com álcool isopropílico após o ciclo da acetona foi realizada, visto que a acetona deixa uma película oticamente desfavorável no substrato. A Fig. 5 mostra uma microscopia em magnificação total 25x, da amostra após a limpeza. Figura 3. Substratos de CVM polidos e esmerilhados. Figura 4. Micrografia da amostra suja de piche vegetal, sem tratamento. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.70-74, 2013 72 Figura 5. Micrografia da amostra retratada na figura 4, após limpeza. A Fig. 6 exibe o perfil da amostra sem e com filme. A Tab. 1 exibe os resultados de Sa e Sz obtidos antes e após a deposição, sendo a proximidade de tais valores (e considerando-se que não foi medida exatamente a mesma área após a deposição) prova de que o filme se molda ao substrato. Figura 6. Comparação das amostras sem filme (esquerda) e com filme (direita). Tabela 1. Parâmetros de rugosidade comparados entre a amostra sem filme e com filme. Sa Sz Amostra SEM filme Amostra COM filme 0,392 µm 9,99 µm 0,436 µm 13,7 µm Diferença entre os padrões antes e após deposição 0,044 µm 3,71 µm A Fig. 7 mostra o espelho obtido com a deposição. A Fig. 8 mostra o resultado da refletividade. Comparou-se a refletividade do espelho com a de uma lâmina de vidro, sobre o qual foi depositado o mesmo filme metálico simultaneamente à peça. Figura 7. Espelho obtido com a deposição por dc-sputtering em peça de CVM polida, esmerilhada e limpa. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.70-74, 2013 73 Figura 8. Comparação entre e refletância do filme da amostra e do filme de uma lâmina de vidro. Vemos que na lâmina, a média desta refletância foi de 30%, e na amostra, de 17%. Sendo a faixa aceitável de refletância para um espelho na faixa de 90%, notamos que o espelho fabricado tem baixa refletividade, devido à sua rugosidade. O espelho de alumínio produzido oxidou-se rapidamente, sugerindo a necessidade de um filme intermediário entre o substrato e o filme metálico. Devido à limitações técnicas (manutenção das três câmaras de deposição da EFO-O), novos espelhos sobre CVM serão depositados após a manutenção destes equipamentos. Conclusões Analisando-se os resultados obtidos, nota-se que o polimento da amostra é um ponto crucial para a confecção de espelhos de qualidade, visto que o filme fino acompanha a superfície do substrato, inclusive suas imperfeições. A limpeza da amostra também é muito significativa, sendo o melhor método para a limpeza do piche vegetal diversas lavagens em ultrassom, com acetona aquecida. Verificou-se também que a porosidade da amostra é um fator muito importante para a confecção de filmes finos de qualidade satisfatória. Agradecimentos Ao CNPq pela bolsa PIBIC oferecida, e ao IEAv pela oportunidade. Referências [1] ZARZYCKI, J; Materials Science and Technology – a Comprehensive Treatment, v. 9 - Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New York, Basel, Cambridge, 1991. [2] JENKINS, G. M.; KAWAMURA, K.; Polymeric carbons – carbon fibre, glass and char, Cambridge. New York, (Cambridge University Press, 1976). Art.13 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.70-74, 2013 74 ESTUDO TERMOCINÉTICO DAS REAÇÕES DO METANOTIOL COM OS ÁTOMOS DE OXIGÊNIO E ENXOFRE D. V. V. Cardoso1*; L. dos A. Cunha1; L. F. A. Ferrão1; R. F. K. Spada1; O. Roberto-Neto2; F. B. C. Machado1 1 Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos-SP 2 Instituto de Estudos Avançados (IEAv), São José dos Campos-SP *[email protected] Palavras-chave: Reações de abstração; termoquímica; cinética química. Introdução Moléculas contendo enxofre têm um impacto significativo em reações químicas que ocorrem no meio atmosférico [1,2]. Neste trabalho, estudaram-se reações elementares de abstração de hidrogênio (R1 = CH3SH + X → CH3S + XH; R2 → CH2SH + XH) e de adição (R3 → CH3 + SHX) da molécula de metanotiol (CH3SH) com os átomos de O e S (3P). Estas reações estão presentes como etapas elementares nos mecanismos propostos para o entendimento do ciclo do enxofre [3,4]. O objetivo deste trabalho foi usar métodos de cálculos de estrutura eletrônica e de dinâmica química no estudo das reações elementares do metanotiol com oxigênio e enxofre. Sendo estes átomos isovalentes, uma análise comparativa destas reações também foi objetivo do presente estudo. Metodologia Os cálculos dos parâmetros cinéticos para as reações foram realizados utilizando a Teoria do Estado de Transição (TST – Transition State Theory) [5,6]. Os parâmetros energéticos e estruturais para os cálculos das taxas de reação foram obtidos com o método da Teoria do Funcional da Densidade (DFT), usando o funcional BB1K [7] com o conjunto de função base de correlação consistente de Dunning, conhecido na literatura como aug-cc-pVTZ [8]. Para o átomo de enxofre foi utilizada a base de Dunning modificada com a inclusão de um orbital d compacto, chamada aug-cc-pV(T+d)Z [9], pois essa base apresenta convergência adequada no limite da base completa. Nesse sentido, foram realizadas correções das barreiras clássicas e das energias das reações com cálculos pontuais utilizando o método CCSD(T) [10], com seus resultados extrapolados para o limite do conjunto de funções de base completo, “complete basis set (CBS)” [11]: E (CBS ) ( E (n) n3 ) ( E (n 1) (n 1)3 ) n3 (n 1)3 (45) onde E n , com n = 3, 4, é a energia ou outra propriedade calculada com a base aug-ccpV(n+d)Z, com n = T (valência triplicada), Q (valência quadruplicada), e E(CBS ) representa o valor de energia no limite CBS. Os valores de energia obtidos com esta extrapolação serão denotados no decorrer do texto por CCSD(T)/CBS e o conjunto base por A(n+d)Z. As constantes de velocidade (k) foram corrigidas com o efeito do tunelamento utilizando as aproximações de curvatura zero (TST/ZCT - Zero Curvature Tunneling) [12] e de Wigner (TST/W) [13]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.75-79, 2013 75 Resultados e Discussão As propriedades termodinâmicas calculadas para as reações de metanotiol com os átomos de oxigênio e enxofre estão apresentadas na Tabela 1, que são a barreira adiabática ( VaG , ‡) e a entalpia de reação a 0 K ( H 0 ) para as duas reações ocorrendo nos três caminhos reacionais. Na Figura 1 estão representadas as curvas de Potencial de Energia Eletrônico (VMEP) e do Potencial Vibracional Adiabático (VaG). Tabela 1. Parâmetros termoquímicos (em kcal/mol) calculados com os métodos BB1K/augcc-pV(T+d)Z e CCSD(T)/CBS//BB1K (entre parênteses). CH3SH + O CH3SH + S G, ‡ G, ‡ Va H 0 Va H 0 R1 2,02 -14,22 3,73 0,57 (0,47) (-16,00) (4,62) (2,10) R2 4,40 -6,80 11,86 7,99 (5,47) (-7,78) (13,24) (9,30) R3 2,02 -20,94 6,57 -3,43 (1,29) (-24,88) (7,94) (-1,76) V (kcal/mol) 40 G CH3SH + O Va 50 G 30 40 20 30 VMEP 10 0 -10 -2 R1 R2 R3 -1 Va R1 R2 R3 20 10 CH3SH + S VMEP 0 0 1 s (bohr) 2 3 -4 -3 -2 -1 0 s (bohr) 1 2 3 Figura 1. Comparação das curvas de energia potencial do caminho de mínima energia (VMEP) e do potencial vibracional adiabático (VaG) em função das coordenadas de reação. Nas reações em estudo, as barreiras adiabáticas obtidas com o método BB1K diminuem quando se utiliza o método CCSD(T)/CBS//BB1K para a reação CH3SH+O, enquanto que para a reação CH3SH+S há um aumento da barreira quando se utiliza o método mais correlacionado, como observado na Tabela 1. Verifica-se ainda que os valores das barreiras são bem maiores para a reação de metanotiol com o enxofre em relação à reação ocorrendo com o oxigênio. Os valores de entalpia mostram que para a reação CH3SH+O todos os caminhos reacionais são exotérmicos e para CH3SH+S, os caminhos reacionais R1 e R2 são endotérmicos e o caminho reacional R3 é levemente exotérmico. Observa-se também pela Figura 1 que na reação CH3SH+O, a correção da energia do ponto zero inverte a ordem dos caminhos reacionais, o que não acontece na reação CH 3SH+S, ou seja, a ordem dos caminhos reacionais para esta reação é a mesma tanto para o VMEP quanto para o VaG. A importância da ordem das reações é refletida na razão de ramificação (Figura 2) que mostra a contribuição de cada caminho na constante de velocidade total da reação em função da temperatura. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.75-79, 2013 76 Para uma temperatura de 300 K, verifica-se que para a aproximação TST/ZCT, as razões das constantes de velocidade ajustadas para cada caminho reacional calculadas com o método CCSD(T)/CBS/A(Q+d)Z//BB1K/A(T+d)Z correspondem a 92%:4,6%:0,2% para a reação CH3SH + O e 100%:0%:0% para CH3SH + S na seguinte ordem dos caminhos reacionais (R1:R3:R2). Observou-se que para baixas temperaturas, o caminho reacional correspondente à abstração do hidrogênio no grupo tiol foi o mais importante para as duas reações e o caminho reacional R2 é o menos importante. No entanto, para altas temperaturas esse comportamento se modifica, pois esse caminho reacional é o segundo mais importante, passando a ser competitivo com o caminho reacional R1, e ultrapassando em importância o caminho reacional R3 a partir de 1000 K. 1,0 CH3SH + S CH3SH + O 1,0 Razão de ramificação 0,8 0,8 0,6 0,4 CCSD(T)/CBS//BB1K k1/kt 0,2 0,6 k2/kt 0,4 k3/kt 0,2 0,0 CCBS(T)/CBS//BB1K k1/kt k2/kt k3/kt 0,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Temperatura (K) Temperatura (K) Figura 2. Comparação da razão de ramificação para a reação global de CH3SH+O e CH3SH+S. A Figura 3 mostra as constantes de velocidade totais das reações para várias temperaturas. Para a reação de metanotiol com oxigênio, os parâmetros cinéticos obtidos são da mesma ordem de grandeza dos dados experimentais existentes [14-16], sendo estes entre os valores calculados pelos diferentes métodos. Isso indica que as constantes de velocidade obtidas para a reação de metanotiol com enxofre são confiáveis, pois o estudo recente do sistema isovalente (CH3SH+O [17]) utilizando a mesma metodologia apresentou concordância com os dados experimentais. CH3SH+O -22 CH3SH+S -24 -1 -1 lnk (cm molecula s ) -24 -28 -26 CCSD(T)/CBS//BB1K -28 TST -30 BB1K/aug-cc-pV(T+d)Z -32 3 TST/W TST/ZCT TST TST/W -32 TST/ZCT 0 1 -36 Exp. [14] Exp. [15] Exp. [16] -40 2 3 -1 (1000T ) K 4 5 CCSD(T)/CBS//BB1K TST TST/W TST/ZCT BB1K/aug-cc-pV(T+d)Z TST TST/W TST/ZCT 0 1 2 3 -1 (1000T ) K 4 5 Figura 3. Curva de Arrhenius para as reações de metanotiol com oxigênio (esquerda) e enxofre (direita). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.75-79, 2013 77 Na reação CH3SH+S, a constante de reação obtida com a barreira BB1K é maior por um fator de 4,5 quando comparada com a obtida com o cálculo CCSD(T)/CBS//BB1K. Já para a reação CH3SH+O ocorre o contrário, a constante obtida com CCSD(T)/CBS//BB1K é maior que a obtida com BB1K por um fator de 9,3. Isso está ligado ao valor das barreiras que são bem menores na reação de metanotiol com o oxigênio. O tunelamento é importante a baixas temperaturas aumentando a constante de reação por um fator de 1,82 para a reação CH3SH+S e de 1,1 para CH3SH+O. O valor da constante de velocidade total TST/ZCT a 300 K Para a reação de metanotiol com o átomo de enxofre (CH3SH+S), utilizando o método CCSD(T)/CBS//BB1K (k = 3,30 x 10-15 cm3 mol-1 s-1) é da ordem de 700 vezes menor que a reação isovalente CH3SH+O (k = 2,28 x 10-12 cm3 mol-1 s-1). Conclusões Até onde sabemos, este é o primeiro estudo em que são obtidos dados rigorosos das propriedades termoquímicas e cinéticas de reações de abstração e de inserção envolvendo os radicais oxigênio e enxofre com o metanotiol. Resultados obtidos segundo a aproximação CCSD(T) mostram que a reação de metanotiol com o oxigênio é exotérmica enquanto que a reação de metanotiol com o átomo de enxofre é essencialmente endotérmica tendo apenas um caminho reacional com a entalpia negativa. Comparando os resultados obtidos com DFT e CCSD(T) notamos a grande importância da correlação eletrônica. Em especial, com concomitante redução da barreira DFT para CCSD(T) a constate aumenta por um fator de 11 para a reação CH3SH+O e diminui para CH3SH+S por um fator de 4, pois na reação com o oxigênio as barreiras diminuem quando se inclui mais correlação eletrônica, enquanto que na reação com o enxofre estas aumentam. O caminho reacional R1, correspondente à abstração do hidrogênio no grupo tiol foi o mais importante para as duas reações. Os resultados rigorosos da termoquímica e cinética sem dúvida permitirão complementar dados experimentais de difícil obtenção. Agradecimentos À FAPESP pela bolsa de doutorado concedida no presente projeto de pesquisa (processo nº 2012/11857-7) e ao CNPq (processos nº 473587/2011-4 e nº 305362/2010-0) pelo suporte contínuo ao grupo de pesquisa. Referências [1] ZHANG, Q.; WANG, H.; SUN, T.; WANG, W. A theoretical investigation for the reaction of CH3CH2SH with atomic H: Mechanism and kinetics properties. Journal of Chemical Physics, v. 324, p. 298-306, 2006. [2] GARZÓN, A.; NOTARIO, A.; ALBADALEJO, J.; PEÑA-RUIZ, T.; FERNÁNDEZ GÓMEZ, M. An experimental and theoretical study of the reaction of ethanethiol with Cl atoms. Chemistry Physics Letters, v. 438, p. 184-189, 2007. [3] TYNDALL, G. S.; RAVISHANKARA, A. R. Atmospheric oxidation of reduced sulfur species. International Journal of Chemical Kinetics, v. 23, n. 6, p. 483-527, 1991. [4] GRAEDEL, T. E. Chemical Compounds in the Atmosphere. New York: Academic Press, 1978. 440p. [5] EVANS, M. G.; POLANYI, M. Some applications of the transition state method to the calculation of reaction velocities, especially in solution. Transactions of the Faraday Society, v. 31, p. 875-894, 1935. [6] TRUHLAR, D. G. Direct Dynamics Method for the Calculation of Reaction Rates. Heidrich D. The reaction path in chemistry: current approaches and perspectives. (ed). Dordrecht: Kluwer, 1995. 229 p. [7] ZHAO, Y.; LYNCH, B.; TRUHLAR, D. G. Development and assessment of a new hybrid II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.75-79, 2013 78 density functional model for thermochemical kinetics. Journal of Physical Chemistry A, v. 108, n. 14, p. 2715-2719, 2004. [8] DUNNING JR, T. H. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen. Journal of Chemical Physics, v. 90, n. 2, p. 1007-1023, 1989. [9] DUNNING JR, T. H.; PETERSON, K. A.; WILSON, A. K. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. X. The atoms aluminum through argon revisited. Journal of Chemical Physics, v. 114, n. 21, p. 9244-9253, 2001. [10] RAGHAVACHARI, K.; TRUCK, G. W.; POPLE, J. A.; HEAD-GORDON, M. A fifthorder perturbation comparison of electron correlation theories. Chemical Physics Letters, v. 157, p. 479-483, 1989. [11] HALKIER, A.; HELGAKER, T.; JORGENSEN, P.; KLOPPER, W.; KOCH, H.; OLSEN, J.; WILSON, A. K. Basis-set convergence in correlated calculations on Ne, N2, and H2O. Chemical Physics Letters, v. 286, p. 243-252, 1998. [12] TRUHLAR, D. G.; ISAACSON, A. D.; SKODGE, R. T.; GARRETT, B. C. Incorporation of quantum effects in generalized-transition-state theory. Journal of Physical Chemistry, v. 86, p. 2252–2261, 1982. [13] WIGNER, E. Calculation of the rate of elementary association reactions. Journal of Chemical Physics, v. 5, p.720–725, 1937. [14] NIP, W. S.; SINGLETON, D. L.; CVETANOVIC, R. J. Gas-phase reactions of O (3P) atoms with methanethiol, ethanethiol, methyl sulfide, and dimethyl disulfide. 1. Rate constants and Arrhenius parameters. Journal of the American Chemical Society, v. 103, p. 3526-3530, 1981. [15] SLAGLE, I. R.; BALOCCHI, F.; GUTMAN, D. Study of the reactions of oxygen atoms with hydrogen sulfide, methanethiol, ethanethiol, and methyl sulfide. Journal of Physical Chemistry, v. 82, p. 1333-1336, 1978. [16] KIRCHNER, K.; VETTERMANN, R.; INDRUCH, H. Kinetics of the reactions of mercaptans with O (3P) under consideration of the influence of molecular oxygen. Ber. Bunsenges. Physical Chemistry, v. 82, p. 1233-1230, 1978. [17] CARDOSO, D. V. V.; FERRÃO, L. F. A.; SPADA, R. F. K.; ROBERTO-NETO, O.; MACHADO, F. B. C. O (3P) + CH3SH Reactions: Structures, Energetics, and Kinetics. International Journal of Quantum Chemistry, v. 112, p. 3269-3275, 2012. Art.14 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.75-79, 2013 79 SISTEMA EMBARCADO PARA CONTROLE DE GIMBAL DE ESTABILIZAÇÃO DE CAMERA EM UM VANT 1 J. C. M. Minatti1, 2*; A. Assis3; E. H. Shiguemori1*, V. Leite1 Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos - SP, Brasil 2 Escola Técnica Professor Everardo Passos, São José dos Campos - SP, Brasil 3 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos - SP, Brasil *[email protected], [email protected] 1 Palavras-chave: gimbal, controle, eletrônica embarcada, giroscópio. Introdução Gimbal é um sistema de mancalização em que o dispositivo fica independente dos movimentos de rotação do apoio. Gimbal é usado principalmente em instrumentos de navegação (indicador de atitude, bússola) e em sistemas de navegação inercial, onde é usado um giroscópio para referenciar o azimute, para guiamento de aeronaves, foguetes, mísseis e veículos espaciais e em estabilização de câmeras [1]. No último caso, mais especificamente em câmeras embarcadas em aeronaves, que é o objetivo deste trabalho, para se obter a compensação da câmera independente das atitudes de uma aeronave para que se possa focalizar um alvo em direções obliquas. Figura 1. Giroscópio Gimbal [2] Uma aeronave é orientada pelos movimentos de arfagem, rolagem e guinada (em inglês, pitch, roll, yaw) em relação ao seu centro de gravidade conforme é ilustrado na Figura 2. Para estabilização de uma câmera embarcada em uma aeronave, é preciso ter mecanismos de controle que identifique essa variação de arfagem, rolagem ou guinada e realize uma ação de controle no gimbal. A principal forma de reconhecer uma variação de ângulo é com uso de 1 Projeto: PITER - Processamento de Imagens em Tempo Real. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.80-84, 2013 80 um sensor de giro [1], que converte a variação de rotação em um sinal elétrico proporcional. O controle pode ser analógico ou digital. E, para fazer a correção do ângulo no gimbal, podem ser utilizados servos motores. Figura 2. Rotação em uma aeronave [3]. É importante que o sistema de controle não seja lento e não tenha sobre-sinal. Por isso deve ser feita uma correta modelagem da planta para que seja implementada a ação de controle correta. Neste trabalho, o objetivo é testar uma plataforma de gimbal estabilizada num VANT (Veículo Aéreo Não Tripulado) de asa rotativa, multi-motores e asa fixa e, por isto, o controlador deve ter a capacidade de se adaptar em diferentes situações [1]. Um tipo de controlador que atende a isso é o PID [5] O objetivo desse projeto é testar uma plataforma de gimbal estabilizada num VANT (veículo aéreo não tripulado). Metodologia Para um bom funcionamento de um sistema gimbal embarcado em um VANT, deve-se considerar os seguintes fatores: tamanho, aerodinâmica, peso, tipo de motorização e grau de liberdade para cada eixo. No caso deste projeto, o tamanho e a estrutura devem ser o suficiente para acomodar uma câmera. Como a velocidade proposta para o VANT não é alta, para este projeto a aerodinâmica não seria um fator relevante. O peso deve ser o menor possível de modo que possa ser embarcado em um VANT de pequeno porte e o material deve ter resistência suficiente para suportar a câmera, movimentos e possíveis impactos. Para o projeto foi escolhida uma plataforma empregada em trabalhos anteriores, ilustrada na Figura 3. A motorização é feita por servos-motores de modelismo. Quanto à liberdade dos eixos, os ângulos de arfagem e rolagem tem liberdade de 90 graus e o ângulo de guinada 360 graus. Especificamente para o ângulo de guinada deve ser considerado um limite de rotação por causa da fiação, para que não haja torção excessiva nos cabos. Caso o movimento alcance esse limite, o software comanda um giro de 360 graus no sentido contrário ao limite excedido. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.80-84, 2013 81 Figura 3. Base estabilizada de dois eixos usada para o desenvolvimento do projeto [6] O controle é formado por um microcontrolador, um sensor de giro de três eixos e os servosmotores. Para fazer um sistema de malha fechada, o sensor de giro é instalado na base do gimbal, com isso as variáveis de processo (os ângulos arfagem, rolagem e guinada) são monitoradas diretamente. Para realizar o controle foi escolhido o microcontrolador PIC16F877A por ter um bom desempenho e quantidade suficiente de entradas e saídas. O sensor de giro com a melhor resposta para essa aplicação é o ADIS16060BCCZ, esse CI (Circuito Integrado) tem o tamanho compacto, a alimentação é 5Vdc, a mesma do microcontrolador e dos servosmotores, tem resolução de 14 bits e os dados são enviados de forma serial, que é mais preciso do que analógico por sofrer menos interferência [7]. A resolução do sensor, de 80 graus/s, é ideal para essa aplicação pois permite corrigir o erro de variações lentas de rotação e reconhece os movimentos do VANT. Figura 4. Sensor de giro ADIS16060BCCZ. [8] Resultados e Discussão Para realizar os ensaios preliminares da plataforma foi utilizado o sistema inercial solidário RAD da empresa Navcon e o algoritmo de controle executado em um PC. Para avaliação do erro de estabilização foi utilizado uma estratégia de uso de um laser fixado no eixo interior da plataforma, possibilitando fazer a estimativa de posicionamento dos ângulos de rolagem e arfagem da plataforma com o sistema de navegação [6]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.80-84, 2013 82 Figura 5. Ensaio da plataforma [6] O primeiro teste foi para analisar o eixo referente ao ângulo de rolagem (rolamento), aonde foi aplicada uma rotação de aproximadamente 43º em torno do eixo x do sistema de navegação durante um período de 20 segundos º. O erro do maior ângulo observado no gráfico foi de aproximadamente 5º. Figura 6. Comparação do resultado estimado do ângulo Rolagem [6] O segundo teste foi para analisar o eixo referente ao ângulo de arfagem. Foi aplicada uma rotação de aproximadamente 44º em torno do eixo y do sistema de navegação durante um período de 20 segundos. O erro obtido nesse ângulo foi de aproximadamente 10º. Figura 7. Comparação do resultado estimado do ângulo pitch [6] II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.80-84, 2013 83 Conclusões Num sistema de navegação autônoma por imagem, é indispensável que a câmera esteja estabilizada. Para tornar isso viável num VANT o sistema deve estar embarcado levando em consideração, principalmente, o tamanho, o peso e a energia gasta pelo sistema. Agradecimentos Agradeço a subdivisão de Geointeligência (EGI) pela oportunidade de fazer parte do projeto. Agradeço também a ajudada da subdivisão de Fotônica (EFO), na especificação e desenvolvimento eletrônico. E agradeço à subdivisão de Suporte tecnológico (EST), pelo apoio e disponibilizar a infra-estrutura, que viabilizam o projeto. Referências [1] SANTANA, D. D. S. Navegação terrestre usando unidade de medição inercial de baixo desempenho efusão sensorial com filtro de Kalman adaptativo suavizado. São Paulo, 2011. 209p. Monografia (Doutorado em Engenharia) – Escola Politécnica, Universidade de São Paulo. [2] Fonte: http://itishistory.ru/1k/2_korabli_37.php Acesso em: 01 jun. 2013. [3] Fonte: http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/rotations.html. Acesso em: 01 jun. 2013. [4] OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3.ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros Técnicos e Científicos, 2000. 801p. [5] BEZERRA, D. C. Controlador de temperatura utilizando um pi digital aplicado a um nobreak de 1 KVA. Fortaleza, 2010. 66p. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará. [6] AMARAL, A. A. M. do. Plataforma Estabilizada para Veículos Aéreos Não Tripulados. Jacareí, 2012. 87p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia da Computação) – Faculdade de Tecnologia São Francisco. [7] SEDRA, A. S. SMITH, K. C. Microeletrônica. 4.ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 2000. [8] Datasheet ADIS16060BCCZ. Art.15 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.80-84, 2013 84 ANÁLISE DE TÉCNICAS DE RECONHECIMENTO DE PADRÕES BASEADAS EM TEXTURA APLICADAS EM IMAGENS ÁEREAS J. S. Santos1,2,*; S. O. Souza1,2,; M. J. P. Lamosa2; E. H. Shiguemori2 1 Universidade Paulista – Engenharia da Computação, Jacareí – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos – SP * [email protected] Palavras-chave: segmentação, unidade de textura, matriz de co-ocorrência, matriz da diferença do tons de cinza da vizinhança. Introdução A evolução do poder computacional gerou possibilidade de realizar transformações de dados obtidos por um sensor óptico embarcado (videografias e/ou imagens) em uma nova representação de informações [1]. A transformação de imagens em um outro tipo de informação é fundamental dentro de um processo de navegação autônoma, onde um veículo navega sem intervenção humana usando essas imagens, captando informações ao seu redor através de sensores. Um exemplo seria em uma trajetória realizada por um veículo aéreo não tripulado (VANT), sendo corrigida ou confirmada, de forma a realizar sua localização através do reconhecimento de um marco característico do local como, por exemplo, um campo de futebol [2]. A detecção de objetos em movimento como carros também pode ser usada, provendo a informação de que está sobre uma rodovia [3], ou até mesmo informação sobre o tipo de área que está sendo sobrevoada como, por exemplo, rural ou urbana [4], de forma a segmentar a imagem. A segmentação da imagem consiste em subdividir a imagem em regiões ou em objetos que a compõem [5]. Neste artigo, o foco está na análise de técnicas que realizam subdivisão de regiões dentro de uma imagem. Esta análise tem o propósito de colocar em teste três técnicas baseadas em textura para realizar um destaque na região desejada na imagem aérea. O uso de texturas consiste em uma abordagem natural quando recorremos à interpretação humana de informações visuais humana, pois alguns atributos apresentados pelas técnicas utilizadas são interpretáveis de forma mais amigável pelo ser humano [6]. A análise comparativa entre as técnicas leva em conta alguns critérios para uma definição das vantagens e desvantagens de cada uma das técnicas utilizadas. Os critérios são: a capacidade qualitativa de discriminação das técnicas e o tempo computacional para realizar a segmentação, pois o item velocidade de processamento é uma exigência importante para uma aplicação com um VANT. As técnicas envolvidas neste trabalho são: Matriz de co-ocorrência, Matriz de diferença dos tons de cinza da vizinhança e Unidade de Textura. Além da extração de informações da imagem, com uso de técnicas com base em textura, outro ponto de destaque quando se deseja segmentar a imagem é realizar a seleção dos atributos [7], que são as informações extraídas da imagem, de modo a selecionar os atributos mais relevantes para realizar a segmentação. A seleção de atributos é um fator importante em relação ao desempenho do algoritmo, pois uma grande quantidade de atributos extraídos não garante uma grande capacidade de discriminação das regiões [7]. A vantagem de se fazer uma seleção de atributos é agregar somente informações relevantes para realizar a classificação, de forma a otimizar o processo [7]. Com a extração de características realizada pelas técnicas baseadas em textura e realizado um processo de seleção de atributos para realizar a segmentação da região desejada, é necessário um método de classificação. No presente trabalho foram abordados dois classificadores, ambos baseados em inferência estatística [8]: Janela de Parzen e Regra do Paralelogramo. Esses II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 85 classificadores, a partir de dados rotulados e uma probabilidade de densidade desconhecida, tem capacidade de construir uma classe para realizar a segmentação [8]. Metodologia O objetivo da análise é comparar três técnicas de extração de características baseadas em textura, de acordo com o poder discriminatório avaliado de forma qualitativa e sua velocidade de processamento. Para realizar esta análise, a primeira técnica utilizada foi a Matriz de coocorrêcia (do inglês, Co-ocorrence Matriz - COM), que é uma abordagem estatística. Essa matriz é montada a partir de um relacionamento espacial de frequência entre o pixel e seus vizinhos, pois esta frequência permite descrever sua ocorrência e suas transições [6, 9]. Com o objetivo de descrever propriedades da textura foram propostas quatorze medidas estatísticas a serem calculadas pela COM [9, 10]. De acordo com [11], apenas seis destas medidas apresentam maior relevância: segundo momento angular (também conhecido como energia), que expressa a uniformidade da textura; entropia, que expressa o grau de confusão contido na textura; contraste, que caracteriza a variação entre as cores; heterogeneidade, que consiste da variância entre o tom médio do nível de cinza; correlação, que mede a dependência linear entre os tons de cinza; e, homogeneidade, que representa o nível de variação entre os tons de cinza (tem relação inversa ao contraste). A segunda técnica utilizada, ainda em uma abordagem estatística, foi a Matriz da diferença dos Tons de Cinza da Vizinhança (do inglês, Neighborhood Gray-Tone Difference Matrix NGTDM) . Essa abordagem foi escolhida por apresentar características relacionadas a propriedades presentes nas texturas utilizadas pelo sistema visual humano. Essas características são: aspereza, que tem o objetivo de medir a aspereza da textura; contraste, que caracteriza o nível da sua variação de cores; fineza; complexidade (a textura é caracterizada complexa quando se tem um grande número de primitivas com intensidade média distintas); e por último, força, que é considerada alta por ter suas primitivas bem definidas e visíveis [6, 11]. A última técnica abordada foi a Unidade de Textura (do inglês, Texture Unit - TU) com uma abordagem geométrica que é definida como sendo composta por primitivas. Nesta técnica são utilizadas duas classes de métodos para descrever a textura. A primeira usa medidas extraídas das primitivas e a segunda são regras para descrever a disposição espacial e o relacionamento existente entre as primitivas. A TU é baseada na ideia de que um certo número de pixels na imagem pode ser considerada como um conjunto de pequenas unidades essenciais. Essas unidades caracterizam a informação local de um dado pixel em relação a sua vizinhança e as medidas extraídas, a partir de todas as unidades contidas na imagem, revelam o aspecto global da textura. O conceito de Unidade de Textura apresenta cinco medidas para características texturais, sendo que as três utilizadas nesta análise foram: simetria preto-branco (do inglês, Black-White Symmetry - BSW), que mede a simetria entre as metades da direita e esquerda na imagem; simetria geométrica (do inglês, Geometric Symmetry - GS), que mede a regularidade da forma da textura; e, grau de direção, que ilustra o grau de linearidade da textura (do inglês, Degree Direction - DD) [6,12]. Contudo, mesmo com a extração desses atributos é necessário avaliar a relevância de cada um e essa avaliação é feita através da seleção de características. A seleção de características mapeia o problema de procura pelo conjunto de atributos mais compacto e informativo, a fim de melhorar a eficiência do processamento. Com a seleção de atributos pode-se eliminar atributos que não contribuem com informações novas ou relevantes para a classificação [6, 7]. A técnica de correlação quantifica o quanto um atributo está correlacionado ou é dependente dos demais e essa informação é usada para montar um possível melhor conjunto de atributos [7]. A classificação para verificar se o atributo pode prover um melhor volume de informações com a correlação, foi feito da seguinte forma: caso o atributo avaliado apresentasse um índice de correlação fraco em relação aos demais II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 86 atributos, ou seja, com um intervalo de correlação entre -0,25 até +0,25, essa informação determinaria que, ao se fazer uma regressão linear em um atributo, não seria possível determinar o valor do atributo em comparação de forma precisa. Neste caso, o atributo agregaria novas informações ao conjunto e o classificador usado teria mais facilidade para fazer a distinção e, assim, maior precisão para reconhecer a região. Resultados e Discussão Dentre os testes realizados para análise dos resultados foi usada uma imagem de dimensões 448x336. Essa imagem apresenta um grande contraste na região superior em relação ao restante da imagem, facilitando a interpretação do resultado. O objetivo desse experimento é destacar a região tracejada na Figura 1. Fonte: Google imagens. Figura 1. Imagem utilizada na análise. Após a extração dos atributos da região tracejada na Figura 1, foi realizada a análise de seleção de atributos de cada técnica usando a correlação (r) representada na equação 1. Na Tabela 1 são mostrados os resultados da correlação da técnica COM, que foi a única técnica dentre as três avaliadas onde três atributos apresentaram baixa correlação entre eles simultaneamente: segundo momento angular (SMA), contraste e entropia. Entretanto, com essa característica, é possível ter um cenário tridimensional em um espaço de atributos, podendo aumentar a performance da classificação. (1) Tabela 1. Correlação COM II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 87 Na Tabela 2 são apresentados os resultados da Correlação da NGTDM. Nota-se que a aspereza tem baixa correlação com todos os atributos, ou seja, de acordo com a correlação este atributo poderia ser combinado com todos os demais em uma avaliação, sem caracterizar informações redundantes de acordo com a correlação. Tabela 2. Correlação NGTDM Na Tabela 3 mostra-se a correlação da TU, onde observa-se uma forte correlação entre os três atributos analisados. Este resultado está bem atípico em relação às demais técnicas estudadas. Especificamente em relação ao atributo BWS, onde é verificada a simetria da textura, foram geradas oito variações desse atributo pois esta simetria pode mudar conforme o ângulo usado (pode variar de 45 em 45 graus). Tabela 3. Correlação TU Quanto à análise das técnicas COM, NGTDM, TU, o primeiro critério estudado foi a da capacidade discriminatória em relação à região apresentada para destaque. Os resultados obtidos com a classificação da imagem com o objetivo de se destacar o céu são até o momento qualitativos, compreendendo uma medida somente visual. Nos resultados, os campos na imagem em cor preta compreende o que o classificador denominou como sendo parte do “céu”(região destacada na Figura 1). Apesar de ter feito a seleção de características com a correlação, esses resultados são esboçados levando em conta todos os atributos das três técnicas abordadas COM, NGTDM, TU. Os resultados das Figuras 2 e 3 representam a extração de características com a matriz de coocorrência. Na Figura 2 a classificação foi feita com a regra do paralelogramo e, na Figura 3, com a Janela de Parzen. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 88 Figura 2. Regra do Paralelogramo Figura 3. Janela de Parzen Os resultados apresentados nas Figuras 4 e 5 são referentes à extração de características com a técnica nível de diferença de tons de cinza da vizinhança. Na Figura 4 é usado como classificador a regra do paralelogramo e, na Figura 5, a Janela de Parzen. Figura 4. NGTDM Regra do Paralelogramo Figura 5. NGTDM Janela de Parzen Nas Figuras 6 e 7, os atributos foram extraídos usando a Unidade de Textura, abordagem denominada geométrica, diferente das abordagens COM e NGTDM que são estatísticas. Foram usados os três atributos incluindo todas as variações do atributo BSW, que consiste na simetria entre as metades da imagem em ângulos de 45 em 45 graus. Na Figura 6, foi classificada com a regra do paralelogramo e, na Figura 7, com a Janela de Parzen. Figura 6. TU Regra do Paralelogramo Figura 7. TU Janela de Parzen II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 89 O resultado foi avaliado de forma qualitativa, levando em consideração os falsos negativos, caracterizando uma informação que pertence à classe e é classificada com não pertencente à classe em evidência. E os falsos positivos, caracterizando como sendo pertencente à classe de forma errônea. Dentro dessas premissas, a técnica que apresentou melhor resultado na classificação foi a TU, onde não houve falsos positivos e poucos falsos negativos. O segundo critério, para análise das técnicas COM, NGTDM, TU, é o desempenho do algoritmo em relação ao tempo de processamento. O tempo de processamento foi medido calculando a extração de todos os atributos que compõem as três técnicas. Dessa forma, na COM, o tempo de execução do algoritmo foi obtido utilizando os seis atributos, no NGTDM foi medido levando em conta os cinco atributos e, por último, a TU com três atributos mais sete variações da BWS, totalizando dez atributos abordados na análise. Na Tabela 4 estão os resultados do tempo de execução para cada técnica, levando em conta uma média dos testes. Tabela 4. Resultado do Tempo de Processamento Nos resultados na Tabela 4 em relação ao tempo de processamento, a técnica NGTDM obteve o melhor desempenho e a TU mostra um grande potencial de melhora, pois nesse experimento foi considerado a extração de dez atributos, possibilitando uma redução no tempo ao reduzir a quantidade de atributos. Conclusão O estudo e avaliação demonstraram grande potencial de aplicação das técnicas para realizar a segmentação em imagens, e com possibilidade de ser aplicado em uma sequência de imagens, de forma a auxiliar um veículo no processo de navegação autônoma. Dentre as técnicas analisadas, os resultados em relação à classificação mostram que a técnica TU obteve maior destaque e de acordo com a seleção de atributos realizado através da correlação, pode-se verificar que, com a redução da quantidade de atributos, há uma possibilidade de reduzir seu tempo de processamento. Como trabalho futuro, será feita uma avaliação quantitativa sobre a classificação, levando em conta somente os atributos que proporcionam uma melhor definição da classe e a utilização de um classificador com um nível de separação não linear entre as classes, com o objetivo de melhorar o nível de classificação. Agradecimentos: Ao CNPq pelo apoio prestado por meio da bolsa de iniciação cientifica ao PIBIC-IEAv. Referências [1] BRADISK, G.;KAEBLER. A.; Learning OpenCV Computer Vision With the OpenCV Library, 1° Edition, 2008. [2] CRUZ, J. E.; SHIGUEMORI, E. H.; Detecção Automática de Marcos Conhecidos em Imagens Áereas e Orbitais utilizando SVM e HOG. [3] REBOUÇAS, R, A.; Shiguemori, E. H.; Acompanhamento de Objetos Móveis em imagens aéreas [4] HABERMANN, M,; Segmentação de Áreas urbanas em imagens aéreas para uso em navegação Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, SP. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 90 [5] GONZALES, R.C.; WOODS, R.E., Processamento Digital de Imagens 3° Edição, 2008. [6]PEDRINI, H. e SHWARTZ, Análise de Imagens Digitais, 1° Edição, 2008. [7] GUYON,ISABELLE., NIKRAVESH, STEVE., ZADEH, LOTFI., Feature Extration , 1° Edition, 2006. [8] THEODORIDIS, SERGIOS Pattern Recognition, 4° Edition, 2009. [9] HARALICK, R. M., (1979). Statistical an Strutural Approaches to Texture, Proceding of the IEEE. [10] HARALICK, R. M., SHANMUGAN, K. e DINTEIN, I (1973). Textural Features for Image Classification, IEEE Transactions on Systens, Man end Cybernetics 3 (6): 610-621 [11] BARALDI, A. e PARMIGGIANI, F.(1995) An Investigation of the Textural Characteristics Associated with Gray Level Cooccurrence Matrix Statistical Parameters [12] HE, D.-C e WANG , L. (1990). Texture Unite, Texture Spectrum, and Texture Analysis, IEEE Transactions on Geocience and Remote Sensing 28(4): 509-512. Art.16 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.85-91, 2013 91 IMPLANTAÇÃO DA DOSIMETRIA DE ALTAS DOSES GAMA COM O DOSÍMETRO TERMOLUMINESCENTE TLD-800 J. F. Cipeli1,2; H. H. C. Pereira2, O. L. Gonçalez 2* Universidade do Vale do Paraíba – Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected]; [email protected] 1 Palavras-chave: Dosimetria, dosímetro termoluminescente, radiação gama, altas doses. Introdução A dosimetria termoluminescente nos permite realizar medidas de dose de radiação gama ponto a ponto de um objeto irradiado, sendo, então, possível mapear o perfil de dose em um experimento de irradiação de uma estrutura complexa, como, por exemplo, um circuito eletrônico ou um equipamento montado. O dosímetro a ser utilizado pelo Laboratório de Dosimetria Termoluminescente do IEAv (LDTL) na dosimetria das irradiações realizadas no feixe gama de 60Co (~0,5 kCi) do Laboratório de Radiação Ionizante do IEAv (LRI) [1,2] é o TLD-800 (lithium borate manganese Li2B4O7: Mn), da Thermo Scientific Inc., que responde linearmente em um longo intervalo de dose, desde 0,5 mGy a 100 kGy. Este dosímetro é um material termoluminescente que, quando exposto à radiação ionizante, tem uma parte de seus elétrons e lacunas liberados pelo efeito da ionização de seus átomos e que, por sua vez, são aprisionados em armadilhas de sua rede cristalina. Quando submetido a um aquecimento controlado libera esses elétrons, emitindo o excesso de energia na forma de fótons de luz. A luz emitida é proporcional à energia depositada pela radiação no dosímetro [3,4]. O objetivo do projeto em andamento é o desenvolvimento e a implantação no LDTL da dosimetria de altas doses de radiação gama do 60Co, produzidas pelo irradiador de teleterapia Eldorado 78 instalado no LRI, em experimentos e testes dos efeitos da radiação cósmica em componentes eletrônicos e fotônicos de uso aeroespacial. Neste trabalho são relatados os primeiros procedimentos e respectivos resultados parciais da implantação deste processo de dosimetria. Este estudo refere-se a um lote de 50 dosímetros TLD-800. Metodologia Os procedimentos necessários para a implantação da dosimetria consistem em: Estabelecer o tratamento térmico do dosímetro, ou seja, o tempo e a temperatura de aquecimento no forno que o dosímetro deve ser submetido, para remover os traços de termoluminescência deixados na irradiação anterior, para que possa ser novamente utilizado; Estabelecer parâmetros de leitura da termoluminescência (TL) dos dosímetros irradiados, como: a tensão da fotomultiplicadora da leitora, a taxa de aquecimento do dosímetro, o tempo de ciclo de leitura e a região de interesse (ROI) ou outro parâmetro da curva de luz (emissão TL em função da temperatura) correlacionado com a dose; Determinar a dispersão da resposta TL para o lote de dosímetros, visando a seleção dos dosímetros cuja resposta esteja dentro do intervalo de confiança de 99% (3 desvios-padrão) da resposta TL do lote; II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 92 Realizar a calibração da resposta TL dos dosímetros em função da dose absorvida em um campo de radiação conhecido no intervalo de dose de interesse e verificar o intervalo de dose onde a resposta do dosímetro é linear com respeito à dose. Determinar o fator de desvanecimento (fading factor) e os indicadores de qualidade e controle do processo. Resultados e Discussão O tratamento térmico dos dosímetros foi estabelecido de acordo com o especificado pelo fabricante. No caso do TLD-800, o dosímetro deve ser mantido no forno por 15 minutos à temperatura de 300 °C [5]. Um requisito fundamental para a reprodutibilidade da dosimetria é a estabilidade e a calibração da temperatura do interior do forno. A correção da temperatura indicada no painel de leitura do forno relativamente à temperatura real no seu interior (centro) foi determinada com o uso de um termopar previamente calibrado. Na Tabela 1 e na Figura 1, correspondente, são apresentados os resultados desta calibração. Tabela 1. Calibração do forno mufla EDG 3000 3P. Visor do forno (C) 280 285 290 295 300 305 310 TERMOPAR (°C) 289,91 294,80 299,69 304,58 309,48 314,37 320,24 Temperatura real no centro ( o C) 325 320 315 Calibração (ajuste) y = 0,9995x + 9,865 R2 = 0,9993 310 305 300 295 290 285 275 280 285 290 295 300 305 310 315 o Temperatura no visor do forno ( C) Figura 1. Relação entre a leitura da temperatura do forno e a temperatura real no seu centro. A curva de luz da leitura da termoluminescência de um dosímetro TL é característica para aquele tipo de dosímetro. A curva de luz do TLD-800, conforme ilustrado na Figura 2, apresenta um único pico. Entretanto, a posição (temperatura) do centróide do pico, a largura à meia altura (FWHM), a amplitude e a área total do pico dependem de parâmetros fixados no equipamento de leitura, tais como, tensão da fotomultiplicadora, temperatura inicial de leitura da emissão TL e taxa de aquecimento aplicados para promover a termoluminescência. O primeiro parâmetro da leitora que deve ser ajustado é a tensão da fotomultiplicadora, o qual vai determinar a quantidade de cargas liberadas na conversão da luz da termoluminescência II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 93 em sinal elétrico mensurável. Este sinal elétrico medido em pico-Coulomb para o intervalo de dose de interesse deve cair dentro da faixa de medição do equipamento, cujo valor de saturação é de 4,0105 pC. Na Figura 3 é apresentada a amplitude do sinal TL (pC) em função da tensão aplicada na fotomultiplicadora para uma dose absorvida no dosímetro de 36 krad. A tensão de trabalho foi escolhida de modo que nesta dose a amplitude do pico da curva de luz para esta dose de 36 krad se situasse a aproximadamente 1/10 do fundo de escala. Isto nos permite ler dosímetros irradiados até 360 krad. Segundo este critério, o valor selecionado para a tensão da fotomultiplicadora foi de 600 V. Figura 2. Curva de luz típico do dosímetro TLD-800. Figura 3. Variação da amplitude do pico com a tensão da fotomultiplicadora. Uma vez fixada a tensão da fotomultiplicadora, a escolha da taxa de aquecimento baseou-se em testes com as seguintes taxas de aquecimento: 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18 e 20 °C/s. Verificou-se, então, a dependência de alguns parâmetros da curva de luz (posição do pico, altura do pico e área do pico). Foi escolhida a taxa de aquecimento na qual a amplitude do pico tivesse a menor variação com respeito a uma eventual variação da taxa de aquecimento, ou seja, a parte mais plana da curva, que ocorre em entorno de 10 °C/s, a fim de garantir a melhor estabilidade do processo de determinação da resposta TL. Este resultado é apresentado na Figura 4. Para o estudo preliminar da dispersão da resposta TL do lote foram selecionados 29 dosímetros irradiados com a dose de 36 krad e feita a leitura com os parâmetros selecionados de acordo com os itens precedentes. Os parâmetros da curva de luz de cada dosímetro medidos foram: posição do centróide do pico, amplitude do pico, largura à meia altura do pico II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 94 (FWHM) e área total sob o pico (integral da curva de luz). A variabilidade destes parâmetros é mostrada nas Figuras 5, 6, 7 e 8. Estas figuram indicam que a variabilidade destes parâmetros é de natureza aleatória, devendo obedecer a uma distribuição gaussiana. Os parâmetros destas distribuições são apresentados na tabela 2. Figura 4. Variação da amplitude do pico TL com a taxa de aquecimento (°C/s) do dosímetro. Figura 5. Variação entre as posições de cada um dos 29 dosímetro. Figura 6. Variação da contagem do pico (pC) para cada dosímetro . Figura 7. Variação da largura à meia altura para cada dosímetro. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 95 Figura 8. Variação da área do pico (pC) para cada dosímetro. Tabela 2. Resultados numéricos para a dispersão do lote. PARÂMETROS MÉDIA E DESVIO PADRÃO DA MÉDIA Posição do centróide do pico (C) Amplitude do pico (pC) FWHM (C) Área do pico (pC) 235,48 ± 0,65 66086,21 ± 857,69 78,86 ± 0,14 5,507106 ± 7,25104 DESVIO PADRÃO DA DISTRIBUIÇÃO 1,49% 6,99% 0,97% 7,09% Outro dado que deverá ser levado em consideração na avaliação de dispersão do lote é a massa de cada dosímetro. Admitindo-se uma distribuição gaussiana (Figura 9) para as massas dos dosímetros encontrou-se um valor médio de 0,0199 g e desvio padrão de 0,0003 g para o lote, o que define um intervalo de confiança de 99% (3 desvios-padrão) de 0,0190 a 0,0208 g para a exclusão de dosímetros do lote. Observa-se que apenas dois dosímetros estão fora do intervalo de aceitabilidade. A dispersão das massas deverá ser confrontada com a dispersão de resposta TL do lote e deverá ser feita a correspondente análise de correlação entre a massa de cada dosímetro de sua resposta TL. 18 16 14 Frequência 12 10 8 6 4 2 0 0,0191 0,0193 0,0195 0,0197 0,0199 0,0201 0,0203 0,0205 0,0207 0,0209 0,0211 Massa (g) Figura 9- Distribuição das massas dos 50 dosímetros do lote de TLD-800. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 96 Conclusões Os resultados parciais de análise das respostas dosimétricas do lote de dosímetros TL-800 indicam boa estabilidade com respeito às variáveis de processamento e leitura dos dosímetros, bem como, a variabilidade do lote encontra-se dentro do intervalo aceitável para padrões de dosimetria termoluminescente atualmente em prática no Laboratório de Dosimetria Termoluminescente do IEAv. Os próximos passos deste trabalho compreendem a irradiação do lote inteiro de dosímetros termoluminescentes TLD-800 num campo padrão de radiação gama no intervalo de 1 a 300 krad para a medida da resposta TL de cada dosímetro individualmente, a determinação da dispersão do lote, a linearidade de resposta e o fator de calibração do lote. Esta dosimetria de altas doses contribuirá significativamente para a melhoria dos testes de irradiação de componentes eletrônicos executados no Laboratório de Radiação ionizante do IEAv, cujas doses acumuladas podem chegar a 300 krad. Agradecimentos Ao CNPq pela concessão da bolsa de iniciação científica ao primeiro autor do presente trabalho, dentro do programa PIBIC do IEAv. Referências [1] GONÇALEZ, O. L.; FEDERICO, C. A. Relatório interno RT/PEICE-01/2008: Estimativas de doses do irradiador de 60Co do Laboratório de Radiação Ionizante do IEAv. São José dos Campos: Instituto de estudos Avançados, 2008. [2] ASTM INTERNATIONAL. ASTM E 666-99: Standart Practice for Calculating Absorbed Dose from Gamma and X Radiation, 2009. [3] FURETA, Claudio; WENG, Pao-Shan. Operational Thermoluminescent Dosimetry. Singapore: World Scientific, 1998. [4] FURETA, Claudio. Handbook of thermoluminescent. New Jersey: World Scientific, 2003. [5] THERMO SCIENTIFIC. TLD-800 Thermoluminescent Dosimetry Material. Disponível em < http://www.thermoscientific.com/ecomm/servlet/productsdetail_11152_L10757_81902_1196 1436_-1 >. Acesso em 18 jun 2012. Art.17 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.92-97, 2013 97 BIOCORROSÃO EM AÇO 300M CARBONETADO A LASER 1 S. M. Rovetta1; S. Khouri1; A. J. Abdalla2, G. de Vasconcelos2, W. Miyakawa2* Universidade do Vale do Paraíba - Núcleo de Estudos Farmacêuticos e Biomédicos, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: biocorrosão, aços, tratamento termoquímico, laser. Introdução A corrosão de superfícies metálicas por micro-organismos que se alimentam de combustíveis é um problema antigo, que preocupa tanto o setor aeronáutico [1] quanto o petrolífero [2], e ainda não está totalmente resolvido [3]. De acordo com o periódico Poder Aéreo, de 04 de junho de 2011, dezenas de bilhões de dólares são gastos anualmente, somente pelo governo norte-americano, no combate a este tipo de corrosão [4]. A busca constante pela redução de custos operacionais, tanto por empresas comerciais, quanto pela Força Aérea, tem motivado e incentivado a pesquisa por mecanismos de proteção contra a corrosão e a relevância do domínio deste tipo conhecimento é inquestionável. Tanto que, no âmbito do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial – DCTA, revestimentos anticorrosivos com primer epóxi em tanques de combustível de aeronaves já eram estudados, em 2002 [5], em parceria estratégica com a Empresa Brasileira de Aeronáutica – EMBRAER. O tempo passou e novas ideias surgiram. Diferentes materiais e procedimentos foram desenvolvidos para melhorar não só a proteção contra a corrosão, como também outras propriedades específicas dos metais, como dureza e resistência à fadiga e ao atrito. O açocarbono da década de 50 teve o teor de carbono reduzido e recebeu a incorporação de metais como níquel, cobalto, molibdênio e titânio. Tratamentos termoquímicos a laser [6] e a plasma [7] também foram estudados no IEAv, buscando aprimorar propriedades de superfície. O objetivo deste trabalho foi avaliar se o tratamento termoquímico de carbonetação a laser em aço aeronáutico 300M protege este material contra a biocorrosão influenciada pelo fungo Penicillium candido. Metodologia Dezoito blocos de aço 300M (5 mm x 5 mm x 3 mm) foram polidos até a pasta de diamante de 12 m e receberam ataque ácido com solução de Nital a 5% por 10 segundos. Nove deles receberam tratamento de carbonetação a laser, seguindo a metodologia descrita por Reis [8], a saber: deposição, por pulverização, de uma solução de grafita sobre a superfície dos blocos, previamente aquecidos a 60C, e sinterização com laser de CO2 contínuo (J48-5W, SYNRAD), utilizando os seguintes parâmetros: comprimento de onda de 10,6 m; 50 W de potência; m de diâmetro do feixe sobre a amostra evelocidade de varredura de 200 mm/s. Para o ensaio de biocorrosão, foram preparados 12 tubos de ensaio contendo 90 mL de meio de cultura (caldo Sabouraud Dextrose), inoculados com 10 mL de suspensão de esporos (unidades germinativas) do fungo Penicillium candido. Em cada tubo, foi colocado um único bloco, da seguinte forma: seis tubos receberam blocos não tratados e seis, blocos carbonetados. O experimento foi monitorado eletroquimicamente (pH e condutância) durante 54 dias e, ao final desse período, as amostras foram avaliadas por microscopia de força atômica, comparativamente às amostras que não foram submetidas à biocorrosão (três sem tratamento e três carbonetados). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.98-101, 2013 98 Resultados e Discussão Na Figura 1, são mostradas comparativamente micrografias de força atômica características para o aço sem tratamento (Fig. 1a), o aço carbonetado (Fig. 1b), o aço sem tratamento biocorroído (Fig. 1c) e o aço carbonetado biocorroído (Fig. 1d). As microestruturas típicas de bainita (elipse branca pontilhada), cementita (círculo branco tracejado) e -ferrita (círculo branco) podem ser facilmente visualizadas na Figura 1a (aço sem tratamento). A biocorrosão do aço sem tratamento (Fig. 1c) promoveu perda parcial de definição de contornos dessas microestruturas, além do aparecimento de pites (pequenas cavidades, indicadas pelas setas brancas) na superfície da amostra. No aço carbonetado (Fig. 1b), o recobrimento com grafita não mais permite a visualização das microestruturas de superfície e, após a biocorrosão, surgiram trincas (elipse pontilhada preta) na camada de carbono (Fig. 1d). 667.43 [nm] 20.00 um 40.00 x 40.00 um 0.00 942.92 [nm] 20.00 um (a) 40.00 x 40.00 um (b) 915.68 [nm] 20.00 um 40.00 x 40.00 um (c) 0.00 0.00 2.05 [um] 20.00 um 40.00 x 40.00 um 0.00 (d) Figura 1. Micrografias de força atômica típicas de aço 300M (a) não tratado microestruturas de na superfície não tratada; (b) superfície carbonetada; (c) aço não tratado após a biocorrosão, e (d) aço carbonetado após a biocorrosão. À direita de cada micrografia, há um histograma de distribuição de alturas da imagem e o valor acima do histograma indica a altura máxima (distância entre o ponto mais profundo e o mais alto da imagem). Observa-se que tanto a carbonetação quanto a biocorrosão do aço não tratado alargam a distribuição de alturas, quando comparada com o histograma relativo ao aço não tratado. Isso significa que as superfícies ficaram topograficamente mais irregulares e com maior variação de distâncias pico-vale. Na Fig. 1d (aço carbonetado biocorroído), o aumento II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.98-101, 2013 99 da altura máxima deve estar relacionado com o aparecimento de trincas, pois, aparentemente, a camada de carbono não foi atacada durante o processo de biocorrosão. 6,0 1,8 5,5 1,6 1,4 condutância (mS) 5,0 pH 4,5 4,0 aço sem tratamento y=5,262-0,004t 3,5 aço carbonetado y=5,389-0,004t 3,0 2,5 1,2 1,0 0,8 0,6 aço sem tratamento y=1,305-0,002t-0.0001t 0,4 aço carbonetado y=1,318-0,0004t+0.0001t 2 2 0,2 0 10 20 30 tempo (dias) (a) 40 50 60 0,0 0 10 20 30 40 50 60 tempo (dias) (b) Figura 2. Curvas de variação de (a) pH e (b) condutância do eletrólito (meio de cultura inoculado com esporos de P. candidum) em função do tempo, monitorados durante o processo de biocorrosão dos aços sem tratamento e carbonetado. A Figura 2 apresenta curvas médias (três tubos de cada grupo) de variação de pH (Fig. 2a) e condutância (Fig. 2b) do meio de cultura inoculado com esporos do fungo P. candidum, em que os corpos de prova foram mergulhados para o experimento de biocorrosão. Para o pH, as curvas para os aços sem tratamento e carbonetado estão bastante próximas e apresentam o mesmo comportamento decrescente. Estes dados demonstram que ocorreu um aumento natural da concentração de metabólitos ácidos nos eletrólitos, decorrente do desenvolvimento e multiplicação dos fungos. As curvas médias de condutância, por usa vez, estão praticamente sobrepostas. Isso significa que ocorreu igual variação da quantidade de íons presentes nos eletrólitos, tanto nos tubos contendo aço sem tratamento quanto nos tubos contendo aço carbonetado. Considerando-se que as micrografias revelaram uma aparentemente resistência da camada de carbono à biocorrrosão, a condutância medida deve estar mais fortemente associada à presença de exometabólitos, liberados pelo fungo durante seu ciclo vital, do que à presença de íons metálicos gerados pela biocorrosão. Como cada tubo continha 100 mL de eletrólito e a área de metal exposta à biocorrosão era de 25 mm2, a variação de concentração de íons metálicos provenientes da biocorrosão foi, provavelmente, muito menor do que a de exometabólitos. A análise eletroquímica evidenciou, portanto, a vitalidade da cultura de fungos durante o processo de biocorrosão e que os metabólitos ácidos interagiram com a superfície do metal não tratado, provocando sua corrosão. Conclusões As análises morfológicas, associada aos dados de topografia, permitiram concluir que o aço 300M é susceptível a biocorrosão, e que o tratamento termoquímico de carbonetação a laser protege o aço contra a biocorrosão. Já a análise eletroquímica evidenciou a vitalidade da cultura, tanto pelo comportamento das curvas de condutância quanto de pH, revelando que os subprodutos (metabólitos) excretados pelos fungos têm caráter predominantemente ácido. Estes metabólitos ácidos interagiram com a superfície do metal não tratado, gerando a sua biocorrosão. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.98-101, 2013 100 Agradecimentos Ao CNPq (bolsas PIBIC/IEAv), ao CAPES (Pró-Defesa 014/08) e à FAPESP (Processo 2011/11727-3) pelas aquisições de equipamentos e consumíveis e bolsas concedidas. Referências [1] Aquarone, E.; Borzani, W.; Lima, U. A. Biotecnologia – Tópicos da microbiologia industrial. 1ª ed., Editora Edgard Blücher LTDA, São Paulo, v.2, 1986, 231p. [2] Machado, J. P. S. E. R.; Gomes, V.; Martins, S. C. S.; Melo, V. M. M.; Sobral-Santiago, A. V. C.; Sant’ana, H. B. Avaliação da corrosão microbiológica no aço inoxidável 444 por micro-organismos presentes em amostras de petróleo. In: Anais das JORNADAS SAM, CONGRESO CONAMET – SIMPOSIO MATERIA 2003, Bariloche, Rio Negro, Argentina. Disponível em: http://www.materialessam.org.ar/sitio/biblioteca/bariloche/Trabajos/A06/0623.PDF. Acesso em: 22 fev 2011. [3] Rajasekar, A.; Ting, Y.-P. Inhibition of Biocorrosion of Aluminum 2024 Aeronautical Alloy by Conductive Ladder Polymer Poly(o-phenylenediamine). Ind. Eng. Chem. Res., v.50, p. 2040–2046, 2011. [4] Poggio, G.; Corrosão – o inimigo oculto. Poder Aéreo – Informação e Discussão sobre Aviação Militar e Civil, 04 de junho de 2011: seção de Manutenção, Noticiário Internacional e Tecnologia, p. 1-12, 2011. [5] Silva, R. A.; Rezende, M. C. Corrosão influenciada por micro-organismos em tanques de combustível de aeronaves. In: Anais do XV CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 9-13 de Novembro de 2002, Natal, RN, p. 3695-3702, 2002. [6] Vasconcelos, G.; Costa, G. N. P.; Mello, C. B.; Antunes, E. F. Covering steel surface with carbon black by CO2 laser. Mat. Sci. Fórum, v.660-661, p. 249-251, 2010. [7] Abdalla, A. J.; Carrer, I. R.; Barboza, M. J. R.; Moura Neto, C. Estudo de fluência em aços 4340 com diferentes microestruturas e tratamento de carbonitretação a plasma. In: Anais do XIX CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência de Materiais, 25 a 29 de Novembro de 2010, Campos de Jordão, SP, ref. 317-045. Disponível em: http://www.cbecimat.com.br/detalhes.asp?Id=886. Acesso em 22 de fevereiro de 2010. [8] REIS, J. L. Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO2. 2009. 105 F. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia Aeronáutica e Mecânica dos Materiais Aeroespaciais) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Campo Montenegro, 2009. Art.18 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.98-101, 2013 101 ESTUDO DA AERODINÂMICA INTERNA EM EQUIPAMENTOS DE ENSAIO EM SOLO PARA PESQUISA DE ESCOAMENTOS HIPERSÔNICOS E DA COMBUSTÃO SUPERSÔNICA D. A. S. Borges1*; D. F. Carraro2**; V. S. F. O. Leite 3 Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos – SP ²ETEP Faculdades, São José dos Campos – SP 3 Instituto de Estudos Avançados–Divisão de Suporte Tecnológico, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: bocais, gerador de ar viciado, túnel de choque, escoamento hipersônico. Introdução Para a pesquisa de escoamentos hipersônicos e da combustão supersônica são necessários equipamentos de ensaios em solo para estudar/simular os fenômenos físicos envolvidos em um vôo real. Neste sentido, o IEAv possui, em seus laboratórios de Aerotermodinâmica e Hipersônica, três tipos de equipamentos que são fundamentais para os estudos acima citados, sendo estes: túneis de choque (T1, T2 e T3), acelerador hipersônico de massa (Zarabatana) e bancada de teste de combustores supersônicos [1]. Nos três equipamentos de ensaios apresentados a obtenção das condições de teste e o controle das mesmas são conseguidos através do estudo da aerodinâmica interna (bocais e difusores) e externa (ondas de choque cônicas e obliquas que se formam sobre o modelo). Desta maneira, o objetivo deste trabalho é o cálculo das condições do escoamento no interior de dutos, bocais e difusores (aerodinâmica interna) de partes existentes nos equipamentos de ensaio em solo citados, sendo estas: a tubeira do túnel de choque T3 e o bocal acoplado ao gerador de ar viciado (GAV), da bancada de testes de combustores supersônicos. Este estudo visa principalmente a obtenção de uma ferramenta computacional que permita facilitar a preparação das condições de teste e o controle das mesmas, nos equipamentos acima citados, contribuindo desta forma para o andamento da pesquisa de escoamentos hipersônicos e da combustão supersônica. Metodologia Com relação ao presente trabalho é necessária uma explicação resumida sobre o funcionamento do tubo de choque e da bancada de teste de combustores supersônicos, equipamentos estes que possuem bocais para a aceleração do escoamento [2]. Figura 1. Desenho esquemático do túnel de choque. O túnel de choque é composto de duas seções: uma câmara de alta pressão (driver) e uma câmara de baixa pressão (driven), separadas por uma seção de duplo diafragmas (DDS II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 102 Double Diaphragm Section), acopladas a um bocal, que acelera o escoamento à velocidade (número de Mach) desejada, como mostrado na Figura 1. Este equipamento serve para simular as condições de velocidade e altitude (pressão e temperatura) de um modelo em um vôo real. Neste caso o modelo fica fixo na seção de testes e o escoamento passa sobre ele. A bancada de testes de combustores supersônicos é composta basicamente de um gerador de ar viciado (GAV) e um bocal supersônico (Figura 2). Este equipamento de ensaios é usado principalmente para o estudo da combustão supersônica, pois simula as condições do escoamento dentro de um combustor de um “SCRamjet” (“Supersonic Combustion Ramjet”), sendo este escoamento de alta temperatura e número de Mach entre 2,5 e 3. CONDIÇÕES DE ENSAIO CONDIÇÕES DE ENTRADA GERADOR DE AR VICIADO BOCAL COMBUSTOR A SER TESTADO Figura 2. Desenho esquemático da bancada de testes de combustores supersônico. A condição de alta temperatura é obtida por combustão, no gerador de ar viciado, e a de velocidade supersônica é obtida pela passagem do escoamento aquecido através do bocal supersônico convergente-divergente. A bancada de testes do IEAv é do tipo diretamente conectada, isto é, o combustor a ser testado é diretamente conectado ao bocal supersônico. Inicialmente, foi feito o estudo do bocal acoplado ao GAV, para o qual foram utilizados, como base para definir a pressão e a temperatura na entrada do bocal, os valores experimentais que foram obtidos no interior do modelo do combustor do veículo hipersônico (14-X), que está sendo desenvolvido no IEAv, ensaiado no túnel de choque T3. Foram obtidos os seguintes valores de temperatura e pressão: T = 1039,5 K e P = 89108 Pa, assim como o valor do número de Mach igual a 2,6. Esses dados especificam as condições que devem ser simulados na bancada de testes de combustores supersônicos, na saída do bocal. Para definir a relação entre as áreas da garganta e da saída do bocal, para simular o número de Mach igual a 2,6, foram utilizadas as equações para escoamento quase-unidimensional [3] e [4], para este número de Mach, mais especificamente a Equação (1), , (1) onde A* é a área da garganta, A é a área na saída do bocal, M é o número de Mach na saída do bocal e e a razão entre os calores específicos a pressão constante (cp) e a volume constante (cv). Com a relação de áreas encontrada e considerando o raio da garganta igual a 10 mm, tem-se que o raio na saída do bocal é igual a 17,02 mm. O cálculo das condições do escoamento de estudo foi feito através de simulação numérica utilizando o programa comercial de dinâmica de fluidos computacional FLUENT [5], [6] e [7] e utilizou-se o aplicativo GAMBIT [8] para desenhar e gerar a malha necessária para a simulação do bocal, onde o mesmo foi desenhado pela metade, para que a simulação fosse feita de forma axissimétrica. A geometria foi dividida igualmente em 10 partes, e definiu-se II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 103 que os pontos para geração de malha de entrada, saída e de cada segmento de seu eixo longitudinal possuiriam um espaçamento de 1 mm entre eles, ou seja, 30 pontos na entrada e saída e 10 pontos em cada segmento do eixo, com exceção do primeiro segmento onde encontrava-se a curvatura, que teve a geração de malha automática pelo próprio “software”. Com a malha pronta, deu-se inicio a etapa de simulação. Utilizando os valores obtidos anteriormente para a pressão e temperatura de estagnação, através das equações das relações isentrópicas [3], foram definidas assim as condições iniciais para a simulação, como também os métodos que seriam utilizados pelo FLUENT. Para simulação, desprezou-se a viscosidade e utilizou-se o método padrão de resolução do próprio “software” usado para esse tipo de problema. Para a primeira etapa de simulação, considerou-se o escoamento como caloricamente perfeito, isto é, os calores específicos do gás (cp e cv) não sofrem variação com a temperatura, isto é, são constantes. Neste caso, do ar atmosférico, o valor de é constante e igual a 1,4 [3]. Para simular bocal do túnel de choque T3, foram consideradas as dimensões reais do mesmo, no caso, os diâmetros da garganta e da saída iguais a 44,24 mm e 451,9 mm respectivamente, e o mesmo padrão de malha utilizado anteriormente foi mantido, assim como o método de obtenção das condições de contorno iniciais e finais, baseando-se nos valores reais obtidos de dados experimentais, onde a pressão e temperatura encontradas foram: P= 1782160 Pa e T= 2444,904 K. Os valores obtidos da simulação utilizando o modelo de gás caloricamente perfeito foram comparados com os dados tabelados, encontrados na referencia [3], conseguindo uma ótima concordância dos dados. Assim obtendo confiança no método utilizado, partiu-se para uma segunda etapa de simulação, onde as mesmas malhas utilizadas para o modelo caloricamente perfeito foram simuladas considerando o modelo de gás congelado. O modelo de gás congelado assemelha-se ao modelo caloricamente perfeito, ou seja, o valor de é considerado constante ao longo do bocal. A diferença entre o escoamento caloricamente perfeito e o congelado, é que, com auxilio do aplicativo GASEQ, foi calculado o na entrada do bocal, considerando o ar dissociado, para a temperatura e a pressão nesta região, e foi aplicado este valor de , constante para todo o escoamento ao longo do bocal. O motivo de adotar um modelo de gás congelado para o escoamento é tentar encontrar resultados mais próximos do valor real, pois neste modelo é considerada a composição química do ar dissociado na entrada do bocal, devido à alta temperatura e pressão o que não ocorre no modelo caloricamente perfeito. Resultados e Discussão Foram desenvolvidas preliminarmente inúmeras geometrias internas para o bocal do GAV, respeitando a relação de áreas, mantendo a mesma malha e o mesmo comprimento do bocal, até que a melhor geometria fosse encontrada, comparando os resultados achados para o comportamento do escoamento no interior do bocal para cada caso. O escoamento tinha que atingir a velocidade estipulada no projeto, igual ao número de Mach 2,6, assim como algumas características físicas de bocais em geral, como, por exemplo, a de Mach 1 na garganta, como também uma distribuição uniforme das condições do escoamento ao longo do mesmo. Algumas versões foram descartadas por não atingir os requisitos esperados para o mesmo. A geometria escolhida destacou-se por não apresentar a discordância encontrada nos primeiros bocais e por alcançar a velocidade na saída esperada para relação de áreas especificada para o número de Mach desejado, igual a 2,6. Neste caso a curva na entrada do bocal ficou bem suave, com o valor de raio igual a 20 mm, e a distribuição das condições do escoamento no interior do bocal foram bem homogênea e uniforme. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 104 As Figuras 3 e 4 mostram as distribuições de temperatura ao longo do bocal da bancada de testes de combustores supersônicos, acoplado ao GAV para os casos caloricamente perfeito e congelado respectivamente. Figura 3. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do GAV, com velocidade na saída igual à Mach 2.6 - modelo de gás caloricamente perfeito. Figura 4. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do GAV, com velocidade na saída igual à Mach 2,42 - modelo de gás congelado. Como já mencionado anteriormente, para simulação do T3 foi utilizada a mesma metodologia do caso do bocal do GAV, considerando como condição de entrada do bocal, os dados obtidos experimentalmente no túnel T3. Da mesma forma que no caso anterior, foi considerado inicialmente o modelo de gás caloricamente perfeito para a simulação e depois comparados os dados calculados com os tabelados na referência [3], obtendo-se uma ótima concordância de resultados. Uma vez obtida a confiabilidade no método utilizado para o bocal do túnel T3, foi feita a segunda simulação, considerando o modelo de gás congelado. Os resultados da distribuição de número de Mach estão mostrados nas Figuras 5 e 6 respectivamente. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 105 Figura 5. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do T3, com velocidade na saída igual à Mach 6,98 - modelo de gás caloricamente perfeito. Figura 6. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do T3, com velocidade na saída igual à Mach 6,21 - modelo de gás congelado. Conclusões Com base na metodologia mostrada, as condições do escoamento ao longo dos bocais supersônicos foram calculadas, a partir dos dados obtidos dos ensaios do modelo do combustor do 14-X no túnel de choque T3, utilizando o aplicativo FLUENT. Após inúmeras simulações, foi visto que embora o funcionamento do bocal esteja diretamente ligado à relação de áreas (A/A*), a geometria interna do mesmo pode influenciar nas condições no escoamento e no cálculo computacional, como por exemplo, posicionamento da garganta ao longo do eixo longitudinal do bocal, diâmetro da garganta, raio de entrada da garganta suave, e do método utilizado para simulação, pois alguns casos estudados devido à geometria escolhida, não convergiram. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 106 Os dados obtidos pela simulação numérica foram iguais aos tabelados para os casos dos modelos caloricamente perfeitos, dando confiança desta maneira para que a metodologia também pudesse ser usada para os modelos de gás congelado tanto para o bocal do GAV quanto para o do túnel T3. Concluindo, torna-se aceitável o uso da ferramenta computacional para auxiliar na preparação dos equipamentos de ensaios em solo. Embora os resultados sejam aproximações do real fenômeno físico que ocorre ao longo do escoamento, a ferramenta permite a previsão de algumas discordâncias que podem ocorrer durante o ensaio, antecipando a sua correção. Agradecimentos Agradecemos ao CNPq pelo incentivo financeiro e reconhecimento a pesquisa e ao IEAv por disponibilizar suas instalações e dar todo o apoio necessário para o desenvolvimento do trabalho. Referências [1] LEITE, V. S. F. O. Caracterização do escoamento de uma bancada de testes de combustores supersônicos alimentada por ar viciado. 2006. 227 f. Dissertação (Doutorado em Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de Aerodinâmica, Propulsão e Energia) - ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2006. [2] TOURANI, CHANDRAPRAKASH. Computational simulation of SCRamjet combustors – a comparison between quasi-one dimensional and 2-d numerical simulations. 2011. 114 f. Dissertação (Mestrado em Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeroespacial) - University Of Kansas School Of Engineering, Kansas, 2011. [3] ANDERSON JR., J. D. Fundamentals of Aerodynamics. New York: McGraw-Hill Book Co., 1991. [4] ALMIR GOMES DE ALMEIDA. Estudo de bocais convergentes-divergentes para produção de escoamentos supersônicos no sistema de plasma do LPP-ITA. 122 f. Dissertação (Mestrado em Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de Aerodinâmica, Propulsão e Energia) - ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, 2004. [5] ANSYS, Evaluation of Gradients and Devivatives. EUA, 2006. Disponível em: http://hpce.iitm.ac.in/website/Manuals/Fluent_6.3/fluent6.3/help/html/ug/node994.htm Acesso: 15 Nov. 2012. [6] ANSYS, Using the Solver. EUA, 2006. Disponível em: http://hpce.iitm.ac.in/website/Manuals/Fluent_6.3/fluent6.3/help/pdf/ug/chp25.pdf Acesso: 20 Set. 2012. [7] CORNELL. Fluent Learning Modules. EUA, 2006. Disponível em: https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules Acesso em 20 Nov. 2012. [8] ANSYS GAMBIT. GAMBIT 2.4 Documentation. EUA, 2004. Art.19 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013 107 RECONHECIMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS AÉREAS M. G. M. Rodrigues1, 2, E. M. Fraga1, 3, E. H. Shiguemori1 Instituto de Estudos Avançados, EGI, São José dos Campos 2 Faculdade de Tecnologia São Francisco, FATESF, Jacareí 3 Universidade Paulista, UNIP, São José dos Campos [email protected], [email protected], [email protected] 1 Palavras-chave: OpenCV, ORB, navegação autônoma. Introdução Neste projeto de iniciação científica, técnicas de reconhecimento de padrões em imagens aéreas são estudadas e implementadas. O algoritmo ORB é utilizado para reconhecer padrões em imagens aéreas com variações de rotação e escala. O objetivo foi fornecer alternativas para o referenciamento geográfico de aeronaves. As técnicas estudadas podem ser aplicadas no auxílio à navegação autônoma de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) [6]. Metodologia Estudou-se a aplicação de dois tipos de reconhecimento de padrões: técnicas baseadas em casamento de modelos e técnicas baseadas em extração de características. No casamento de modelos [3], todos os píxeis da imagem são considerados tal como aparecem em uma cena, sem considerar a influência de fatores como luminosidade e a posição da câmera em relação à cena. Desta forma, dois padrões são considerados iguais somente quando a diferença entre os píxeis que o representam está abaixo de um limiar. Para reconhecer um padrão, deve-se definir inicialmente uma subimagem que represente o padrão a ser identificado. Esta subimagem é chamada de modelo. Em seguida, para cada imagem na qual se espera reconhecer o padrão, são extraídas subimagens de dimensões iguais às do modelo, em todas as posições, conforme mostrado na Figura 1. Nas posições onde a subimagem extraída tiver semelhança com o modelo, segundo os valores dos píxeis, o padrão é considerado reconhecido [3, 7]. Figura 1. Casamento de modelos. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 108 A semelhança entre o modelo e cada subimagem candidata é determinada segundo um critério estatístico preestabelecido [3]. A biblioteca OpenCV fornece implementações para três tipos de casamento de modelos, de acordo com os seguintes critérios de semelhança: diferença quadrática, correlação cruzada e coeficiente de correlação [8]. O casamento de modelos usado isoladamente não permite identificar padrões em imagens com diferentes luminosidades, fatores de escala ou ângulos de rotação. Variações de luminosidade podem ser contornadas aplicando-se previamente um algoritmo detector de bordas às imagens. Pode-se obter invariância a escala usando-se duplicações das subimagens de diferentes tamanhos, geradas após a utilização de um filtro de suavização. Esta técnica é conhecida como pirâmide de imagens. Considerando que é necessário gerar uma pirâmide de imagem para cada subimagem na cena, o custo computacional deste tipo de casamento de modelos é elevado [1]. As técnicas de reconhecimento de padrões baseadas em extração de características [2, 9, 11] não consideram os píxeis isoladamente, mas sim a relação entre um píxel e seus vizinhos na mesma imagem. A primeira etapa do processo consiste em encontrar pontos-chave na imagem contendo o padrão que se deseja identificar. Um ponto-chave (ou ponto de interesse) é um ponto na imagem que ajuda a caracterizar objetos de interesse na cena. Por exemplo, para detectar um objeto quadrado, basta localizar os quatro cantos deste objeto em uma cena, ou seja, somente quatro pontos-chave. Após a determinação de quais são os pontos de interesse de uma imagem, é necessário computar características desses pontos que os distingam uns dos outros. A escolha das características extraídas nesta etapa depende dos critérios utilizados para localizar os pontos-chave. No caso dos pontos de interesse consistirem de cantos na imagem, por exemplo, pode-se extrair como característica a diferença média de valor entre os píxeis interno ao canto e os píxeis externos. O conjunto de características associadas a um ponto-chave é chamado descritor [1]. A determinação de pontos-chave e o cálculo dos descritores devem ser feitos tanto para a imagem de referência (que contém o objeto a ser identificado) quanto para a imagem de teste (onde se deseja encontrar o mesmo objeto). Assim, o reconhecimento do objeto é feito a partir do casamento dos pontos-chave entre as imagens, conforme mostrado na Figura 2, de acordo com suas características. O método usado para este casamento também deve levar em consideração quais técnicas foram usadas nas etapas anteriores [8]. Figura 2. Casamento de keypoints. O algoritmo SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) [9] descreve um método robusto de reconhecimento de padrões baseado em características. Este algoritmo permite reconhecer objetos de forma invariante a escala e rotação, além de ser resistente a ruídos e variações de II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 109 iluminação. Os pontos-chave são localizados usando-se Diferenças de Gaussianas. A invariância a escala é conseguida usando-se pirâmide de imagens durante a geração de descritores. Cada descritor é calculado a partir de um histograma de gradientes ao redor do ponto de interesse, sendo representado por um vetor de 128 dimensões [9]. Devido ao grande número de dimensões nos descritores, o custo computacional da etapa de casamento no SIFT limita a sua utilização em aplicações de tempo real [2]. O algoritmo SURF (Speeded Up Robust Feature) [2] apresenta uma alternativa ao SIFT, oferecendo robustez semelhante e custo computacional reduzido. O método baseia-se no SIFT, porém utiliza imagens integrais e descritores simplificados para obter eficiência computacional [2]. O algoritmo ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF) [11] é uma abordagem mais recente ao problema, possuindo invariância a rotação, resistência a ruído e rápida execução. Os autores demonstraram que o ORB é duas ordens de magnitude mais rápido que o SIFT, enquanto obtém resultados de mesma qualidade (e melhores que os obtidos pelo SURF) em muitas aplicações [11]. O ORB é construído com base no detector de pontos de interesse FAST [10] e do extrator de descritores BRIEF [4]. Neste trabalho, o algoritmo ORB foi utilizado para localizar objetos equivalentes em diferentes imagens aéreas, com o objetivo de determinar as diferenças de localização das câmeras entre uma imagem teste e uma imagem de referência. Estas diferenças são representadas pelas transformações de similaridade (translação, rotação e escala uniforme) coplanares que são necessárias para transformar a imagem teste em uma imagem com a mesma projeção da imagem de referência. Aplicando-se o ORB nas duas imagens de entrada, é obtida uma lista de pares de coordenadas, onde cada par identifica um ponto na imagem de referência e seu correspondente na imagem teste. A cada par também está relacionado o valor da distância entre os pontos-chave no espaço de atributos. Assim, pode-se estabelecer quais pares têm mais chances de representarem uma real correspondência na cena. Assumiu-se, para os propósitos deste trabalho, que as imagens não possuem rotações fora do plano. Isto se justifica pelo fato de que todas as imagens aéreas utilizadas foram captadas com o eixo óptico da câmera perpendicular ao terreno. Desta forma, são necessários apenas dois pares de pontos-chave válidos, pare que se determinem os parâmetros da transformação de similaridade entre duas imagens [1, 5]. Estes parâmetros são determinados pelas relações entre os vetores formados pelos dois pontos de interesse em cada imagem. A translação é a distância entre as origens dos vetores. A escala pode ser calculada pela razão entre os módulos dos vetores. A rotação é dada pela diferença entre os ângulos dos vetores [1]. Este método é bastante simples, mas pode falhar caso um dos pontos-chave seja falso. O problema foi contornado com o uso de três pares de pontos. Neste caso, um triângulo é formado em cada imagem, pela ligação dos três pontos. Se os dois triângulos não forem similares, significa que ao menos um dos pontos-chave é falso, e pode-se descartar os três pares. Outros três pares são selecionados e o teste se repete até que sejam encontrados triângulos similares. A Figura 3 mostra um exemplo de par de triângulos formados por pontos de interesse equivalentes. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 110 Figura 3. Triângulos similares formados por keypoints casados. Resultados e Discussão Para testar a eficácia dos algoritmos desenvolvidos para o problema proposto, utilizaram-se imagens modificadas sinteticamente para apresentar diferenças pré-determinadas nos parâmetros da transformação de similaridade. Executou-se então o algoritmo de reconhecimento usando-se as duas imagens (original e modificada) como entrada. O erro na estimativa de rotação foi medido pela diferença entre o ângulo de rotação real e o estimado, em graus, de acordo com a Equação 1. Levou-se em consideração que o ângulo de rotação obedece a uma função circular, na qual uma rotação de 360º resulta em uma imagem igual à original (0º). Desta forma, por exemplo, o erro de estimativa entre os ângulos 355º e 5º é de apenas 10º (e não 350º). ε a =min (a2− a1, a1 +360− a2),a 1≤ a2 (1) O erro na estimativa de escala foi medido pela razão entre o fator de escala real e o estimado, de acordo com a Equação 2. Considerou-se que o erro entre os fatores de escala 1:1 e 2:1 é o mesmo que aquele entre os fatores 1:2 e 1:1. Assim, o erro é expresso como uma função logarítmica desta razão de fatores. s2 ε s= ∣log 2 ∣ s1 ( ) (2) Primeiramente, foram utilizados apenas dois pares de pontos-chave no algoritmo de correção. A Figura 4 mostra a eficácia deste método. (b) Figura 4. Correção de rotação e escala a partir de similaridade de vetores. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 111 O erro circular foi próximo de 0º na maior parte dos testes, mas atingiu valores próximos de 180º para algumas combinações de imagens, indicadas por pontos escuros no gráfico da Figura 4 (a). Da mesma forma, a estimativa de escala apresentou erros significativos em alguns testes, como pode ser visto no gráfico da Figura 4 (b). Em seguida, usaram-se três pares de pontos-chave. O resultado é mostrado na Figura 5. Devido à eliminação de casamentos falsos de pontos de interesse, o erro foi próximo de zero em todos os casos testados, tanto para a estimativa de escala quanto de rotação. (a) (b) Figura 5. Correção de rotação e escala a partir de similaridade de triângulos. A execução do algoritmo levou, em média, apenas 79 ms para reconhecer um padrão de 253x159 píxeis em uma imagem de 471x418 píxeis. Conclusões Observou-se que as técnicas de reconhecimento de padrões baseadas em extração de características são as mais adequadas quando existem variações de rotação e escala entre as imagens. Dentre os métodos presentes na literatura, o ORB se mostrou eficaz e relativamente rápido. Com o auxílio de conceitos de geometria plana, foi possível estimar a posição, orientação e tamanho do padrão reconhecido a partir das informações fornecidas pelo ORB. Esta estimativa pode ser usada para corrigir a imagem com uma transformação afim, eliminando as variações de escala e rotação. Assim, é possível determinar as coordenadas geográficas da imagem captada, usando-se imagens georreferenciadas. Devido à eficiência do ORB, o algoritmo pode ser executado em tempo suficiente para a utilização em aplicações de tempo real. Porém, em situações que envolvam maiores quantidades de dados, a necessidade de se utilizar outras técnicas de processamento deve ser estudada. Agradecimentos Ao Projeto PITER, à Divisão de Geointeligência, ao grupo de pesquisa de Sensoriamento Remoto e ao CNPq. Referências [1] ARAÚJO, S. A. Casamento de Padrões em Imagens Digitais Livre de Segmentação e Invariante Sob Transformações de Similaridade. São Paulo, 2009. [2] BAY, H.; TUYTELAARS, T.; VAN GOOL, L. SURF: Speeded Up Robust Features. Katholieke Universiteit Leuven, 2006. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 112 [3] BRUNELLI, R. Template Matching Techniques in Computer Vision: Theory and Practice. Whiley, 2009. [4] CALONDER, M.; LEPETIT, V.; STRECHA, C.; FUA, P. BRIEF: Binary Robust Independent Elementary Features. Lausanne, 2010. [5] FORSYTH, D. A; PONCE, J. Computer Vision – A Modern Approach. Second Edition, 2012. [6] GOLTZ, G. A. M. ; SHIGUEMORI, E. H. ; VELHO, H. F. C. . UAV Position Estimation By Image Processing Using Neural Networks. In: X Congresso Brasileiro de Inteligência Computacional, 2011, Fortaleza, CE. Anais do Congresso Brasileiro de Inteligência Computacional. Fortaleza - CE : Sociedade Brasileira de Redes Neurais, 2011. [7] GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Digital Image Processing. Third Edition, 2008. [8] INTEL, Open Source Computer Vision Library Reference Manual, 2001. Disponível em: http://www.cs.unc.edu/Research/stc/FAQs/OpenCV/OpenCVReferenceManual.pdf. Acesso em: 15 jun. 2012. [9] LOWE, D. G. Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints. In: International Journal of Computer Vision. Vancouver, 2004. [10] ROSTEN, E.; DRUMMOND, T. Fusing Points and Lines for High Performance Tracking. University of Cambridge, Cambridge, 2005. [11] RUBLEE, E.; RABAUD, V.; KONOLIGE, K.; BRADSKI, G. ORB: An efficient alternative to SIFT or SURF. Willow Garage, Menlo Park, 2011. Art.20 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.108-113, 2013 113 ODOMETRIA VISUAL PARA APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS Q. C. Eller1, 2*, D. M. Adamis1, 3, F. L. L. Medeiros1, E. H. Shiguemori1 1 Instituto de Estudos Avançados, EGI, S. J. Campos, SP, Brasil 2 Universidade Paulista, UNIP, S. J. Campos 3 Universidade Federal de São Paulo, S. J. Campos *[email protected] Palavras-chave: navegação autônoma, SIFT, VANT. Introdução A Odometria Visual (OV) é um processo computacional empregado na estimação de localização baseada em análises de dados com uso de sensores ópticos [1] e tem sido utilizada também em sistemas de navegação aérea [1] e em diversos tipos de sistemas autônomos. Uma das abordagens para estimação da localização consiste na fusão de dados da OV com dados provenientes de algum sistema de localização por satélites, por exemplo, Sistemas Globais de Navegação por Satélites (Global Navigation Satellite System – GNSS) e de sensores inerciais [2]. Esta fusão de informações é interessante quando se verifica que a precisão da navegação pode ser prejudicada quando baseada em um único sensor. Por exemplo, na navegação por satélite existe a possibilidade de ocorrer interferências eletromagnéticas na frequência do sinal [2] e o sensor inercial tem por característica acumular erros de deriva, principalmente em vôos prolongados [3]. Diversas pesquisas focam na solução de problemas para navegação autônoma de veículos aéreos, terrestres e náuticos baseada em visão computacional [4 e 5]. No campo de visão computacional, uma das técnicas de processamento de imagens utilizada é a técnica SIFT (Scale Invariant Feature Transform) para extração de pontos característicos invariantes a mudanças de iluminação, escala, rotação, ruído de imagem e pequenas mudanças na perspectiva das imagens [6], adequada para aplicação em OV. Através do uso de imagens captadas por câmeras embarcadas, pode-se extrair informações sobre a superfície sobrevoada a fim de localizar a aeronave em relação a uma rota planejada e corrigir um sensor inercial, possibilitando a independência do GNSS [2]. Somado a um sistema de cálculo automático de trajetórias de vôo, o sistema de navegação autônoma gera informações de vôo para que o sistema de controle embarcado direcione o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) para o seu objetivo [7, 8 e 9]. Neste trabalho, técnicas de processamento de imagens e visão computacional foram aplicadas em uma videografia obtida por um VANT, o qual foi projetado especificadamente para obtenção de videografias em diferentes regiões e terrenos. Especificadamente, busca-se testar a eficácia do algoritmo para OV com uso da técnica SIFT, uma técnica de processamento de imagens que permite a detecção e extração de descritores locais, a partir de imagens com variações [8]. Metodologia O objetivo deste estudo é a determinação de pontos característicos em imagens aéreas a fim de estimar o deslocamento para navegação autônoma de VANTs utilizando a técnica SIFT. Para aplicação, foi montado um VANT de baixo custo (Figura 1) visando à captura de videografias em diferentes regiões e terrenos e, assim, testar a eficiência do algoritmo. O VANT faz uso de sistemas inerciais, tais como acelerômetro, barômetro, magnetômetro e II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.114-118, 2013 114 giroscópio, como também, uma interface para expansão de novos dispositivos, como por exemplo, de um GPS (Global Positioning System). O sistema de controle utilizado é denominado Multiwii, escolhido por ser de código aberto, sendo possível sua modificação e customização [10], [11], [12]. Figura 1 – VANT para captura de videografias A Figura 2 apresenta um fluxograma do processo, proposto neste trabalho, para estimar o deslocamento de VANTs com uso da captura de videografias. A detecção e a descrição de características em imagens podem ser utilizadas no reconhecimento de uma região sobrevoada, e aplicadas ao estudo de OV. A obtenção de descritores SIFT é feita através da detecção dos extremos, localização dos pontos característicos ou pontos de interesse, definição de orientação e construção do descritor de pontos chaves. Para a correspondência entre os pontos faz-se o uso de duas imagens, It e It+∆t, obtidas em diferentes instantes de tempo durante a navegação aérea, com visada nadir. Imagem It Capturar Frames SIFT Imagem It+ Calcular o Deslocamento t Figura 2 – Fluxograma do processo para estimar o deslocamento de VANTs Na imagem It, identificamos os pontos de interesse e comparamos com os pontos da imagem It+∆t com uso do cálculo da distância Euclidiana. Assim sendo, caso a distância seja menor que a distância do vizinho mais próximo, atribui-se como um ponto válido – fazendo a ligação entre eles, caso contrário, segue para o próximo ponto de interesse, até que seja feito em todos os pontos da imagem It e It+∆t. Na Figura 3, podem ser observadas as linhas que conectam os pontos de interesse da imagem It e It+10. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.114-118, 2013 115 Imagem It Figura 3 – Detecção dos pontos de interesse na imagem It e It+10 Imagem It+10 Com base em um sistema de visão estéreo – imagens obtidas no instante It e It+∆t – pode-se estimar o deslocamento do VANT, em pixels (px), obtida com câmera monocular [2]. Para o nosso estudo, criou-se um cenário (Figura 4) para estimar o deslocamento do VANT em metros. Com uma câmera voltada para baixo, sabe-se que a distância entre a região ou terreno sobrevoado é igual a altitude relativa ao solo – dado obtido com barômetro. Θi = ângulo de abertura do sensor óptico Sx = dimensão real da imagem (eixo X) no tempo t+∆t Sy = dimensão real da imagem (eixo Y) no tempo t+∆t h = altura no tempo t+∆t D = deslocamento do VANT Figura 4 – VANT em um cenário real Neste estudo, o deslocamento, em pixels, à partir do casamento dos pontos de interesse foi obtido através do cálculo da mediana. Conhecendo as características da câmera e a altura em relação ao solo, é possível calcular o quanto equivale um pixel na imagem – conforme Equação (1). (1) Resultados e Discussão Com o objetivo de avaliar a eficiência do algoritmo para o processamento de imagens aéreas, foram simulados processamentos entre a imagem It e It+10 (Figura 3) e entre a imagem It e It+20 (Figura 4). Foram utilizadas imagens, no formato de 640 x 480 pixels, de uma região II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.114-118, 2013 116 sobrevoada na cidade de São José dos Campos – SP com a utilização do VANT citado neste estudo. Imagem It Figura 4 – Detecção dos pontos de interesse na imagem It e It+20 Imagem It+20 A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos. Imagens It It+10 It It+20 Pontos de Interesse Detectados 5.442 1.877 5.442 3.496 Tabela 1 – Resultados do Estudo Deslocamento em Imagens Deslocamento Georeferenciadas Obtido em [X; Y] em [X; Y] (metros) (metros) Acerto em [X; Y] (%) [-0,96m; -5,65m] [-1,01m; -5,08m] [95,05%; 88,78%] [-1,73m; -12,59m] [-1,83m; -11,17m] [94,54%; 87,29%] Para as imagens analisadas, o uso da técnica SIFT para detecção de pontos característicos e para a correspondência entre tais pontos mostra-se apropriado para o problema de estimação de deslocamento de VANTs. Observa-se, pela análise dos resultados, que a precisão do algoritmo foi significativa em ambos os testes. Foram estimados, entre as imagens obtidas nos instantes It e It+10, deslocamentos com acertos de 95,05% no eixo X (horizontal) e de 88,78% no eixo Y (vertical) e, entre as imagens obtidas nos instantes It e It+20, deslocamentos com acertos de 94,54% no eixo X (horizontal) e de 87,29% no eixo Y (vertical). Conclusões Nota-se neste estudo, que foram obtidos resultados promissores com o uso da técnica SIFT para estimar o deslocamento do VANT, mostrando que a metodologia é adequada para aplicação em OV. Novas técnicas serão estudadas para estimar a OV com maior precisão e menor custo computacional que a utilizada neste trabalho. Um ponto que também deverá ser estudado é em relação a lente angular da câmera, pois a mesma não gera uma imagem totalmente ortogonal. Esse problema poderá ser solucionado com a calibração da câmera com uso de técnicas de processamento de imagem. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.114-118, 2013 117 Agradecimentos Ao CNPq, através da bolsa de Iniciação Científica PIBIC-IEAv e ao EMAER, através do projeto PITER, no. V01050303. Referências [1] AMIDI, O., KANADE, T., FUJITA, K. A visual odometer for autonomous helicopter flight, In: Proceedings of the Fifth Internet Conference on Intelligent Autonomous Systems (IAS-5), June 1998. [2] CANHOTO, A., SHIGUEMORI, E. H., DOMICIANO, M. A. P. Image Sequence Processing Applied to Autonomous Aerial Navigation, In: IEEE International Conference on Signal and Image Processing Applications, 2009. [3] CONTE, G., DOERTHY, P. An Integrated UAV Navigation System Based on Aerial Image Matching, In: IEEE Aerospace Conference, March 2008. [4] KUDUR S., RAVIV D., A vision-based pragmatic strategy for autonomous navigation. Pattern Recognition. v.31, p. 1221-1239, 1998. [5] AZINHEIRA, J. R. et all, Visual servo for the hovering of an outdoor robotic airship. In: IEEE International Conference on Robotics and Automation. [S.1.: s.n.], 2002. p. 2782-2792. [6] LOWE, D. G. Distinctive image features from scale-invariant keypoints. In: International Journal of Computer Vision, vol. 60, no. 2, pp. 91-110, 2004. [7] GOLTZ, G. A. M E SHIGUEMORI, E. H. Aplicação do Algoritmo SIFT em Imagens de Navegação Autônoma. In: Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv, 2008, São José dos Campos. Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv, v. 1. p. 3535, 2008. [8] SHIGUEMORI, E. H., MONTEIRO, M. V. T. E MATINS, M. P. Landmark’s recognition for autonomous aerial navigation by neural networks and Gabor transform. In: IS&T/SPIE 19th Annual Symposium Electronic Imaging Science and Technology, 2007, San Jose, CA, USA. Image Processing: Algorithms and Systems V, v. 6497, 2007. [9] MEDEIROS, F. L. L., SHIGUEMORI, E. H., MONTEIRO, M. V. T., DOMICIANO, M. A. P. E MATINS, M. P. Verificação Automática de Situações de Colisão na Navegação de Veículos Aéreos Não Tripulados. In: ENIA – VI Encontro Nacional de Inteligência Artificial, 2007, Rio de Janeiro. XXVII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação. Rio de Janeiro, v. XXVII. P. 932-941, 2007. [10] MULTIWIICOPTER, MultiWii Guide. Disponível em: <http://www.multiwiicopter.com>. Acessado em: 24 Jan. 2013. [11] ARDUINO, Arduino, Disponível em: <http://www.arduino.cc>. Acessado em: 16 Jan. 2013. [12] ATXHELI, Guide to setting up and using the CRIUS MWC MultiWii SE Board Software. Disponível em <http://www.robson.fr/wp-content/uploads/2012/08/NewbiesGuide-to-Setting-Up-CRIUS-MultiWii-SE-board-v4-22-12.pdf>. Acessado em: 16 Jan. 2013. Art.21 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.114-118, 2013 118 TRATAMENTO SUPERFÍCIAL DE AÇO INOXIDÁVEL POR MÉTODOS A LASER DE CO2 L. G. Oliveira1*; H. S. Oliveira2; C. L. Santos2; V. Teleginski2; D. C. Chagas2; G. de Vasconcelos2 1 Universidade do Vale do Paraíba – UNIVAP, São José dos Campos - SP 2 Instituto de Estudos Avançados - IEAv, Divisão de Fotônica, São José dos Campos - SP * [email protected] Palavra chave: Laser de CO2; Tratamento térmico com laser; Aço Inoxidável; Grafita. Introdução Partes mecânicas sujeitas a contato podem ser submetidas a desgastes excessivos, necessitando que sua superfície seja alterada para melhorar sua resistência mecânica [1]. O tratamento superficial com Laser pode proporcionar algumas vantagens significativas como: aquecimento de finas camadas, reduzindo assim, as zonas termicamente afetadas, fácil manuseio, e ainda, o local de tratamento pode ser controlado com precisão e versatilidade. Tratamentos superficiais via laser consistem no aquecimento local da superfície da amostra devido à absorção de radiação emitida pelo feixe seguido de um resfriamento adequado. Durante o aquecimento, ocorre a transformação de fase no estado sólido para outra nova fase, também no estado sólido, apresentando uma estrutura austenítica ao ser aquecida e uma estrutura martensítica ao ser resfriada, formando uma camada endurecida [2]. Uma propriedade importante dos lasers é a absorção ou reflexão por determinado material. Aços assim como os metais, apresentam baixa absorção dessa radiação, cerca 10,6 μm, necessitando de um revestimento absorvedor de radiação incidente [2,3]. Neste trabalho, será avaliada a utilização da grafita como revestimento absorvedor e a ocorrência de têmpera superficial no aço inox após ser revestido com grafita. Metodologia A parte experimental deste trabalho foi realizada utilizando como material uma fita de aço inox com composição mostrada na Tabela 1 e uma solução de material particulado (Grafite). A solução de grafite foi produzida misturando-se 15 g de grafita, 150 ml de álcool etílico e 0,15g de carboximetilcelulose (CMC). Estes materiais foram misturados em um moinho planetário durante 2 horas. Tabela 1. Composição química do aço inox 304 utilizado no experimento. AISI 304 C (%) Fe (%) Cr (%) Ni (%) Mn (%) Si (%) Mo (%) 0,027 69,962 19,557 8,994 0,934 0,480 0,072 A Figura 3 apresenta uma micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura (MEV) da superfície do substrato após a aspersão da solução. Observa-se que o tamanho médio dos grãos de grafite é da ordem de 3μm e com formato de flocos. A solução foi aspergida na superfície da amostra utilizando-se uma pistola pneumática, incidindo-se o jato no sentido horizontal em um número de vezes suficiente para recobrir o material com uma fina camada de grafite com espessura uniforme, conforme apresentado na Figura 4. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 119 Figura 3. MEV do grão grafite com tamanho médio de 3μm. Após o recobrimento do aço inox com grafite a superfície da amostra foi posicionada na região focal do laser (aproximadamente 190 mm) e irradiada conforme mostra a Figura 5. Figura 4. Recobrimento da amostra com grafite. Figura 5. Laser irradiando amostra. Os parâmetros utilizados foram escolhidos através de testes de dureza e rugosidade, realizados anteriormente, alterando a velocidade de varredura do feixe, mantendo fixa sua resolução e potência, conforme ilustrado na Tabela 2. A Figura 6 apresenta um desenho esquemático da superfície irradiada da amostra. Tabela 2. Parâmetros utilizados para irradiar amostras. Velocidade de Potência Resolução Nº de ciclos varredura (mm/s) (%) P1 400 300 1 100 P2 500 300 1 100 P3 600 300 1 100 P4 800 300 1 100 P5 1000 300 1 100 P6 1500 300 1 100 Figura 6. Esquema da amostra irradiada. O laser de CO2 utilizado no experimento apresenta potência de 125 W e diâmetro do feixe no foco de 0,3 mm (300 µm), marca Synrad FH Flyer. O feixe do laser de CO2 é guiado através de espelhos galvanométricos sobre a superfície da amostra, gerando trilhas de largura e espessura controladas via software. A Figura 7 apresenta o arranjo do laser utilizado no experimento. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 120 Figura 7. Laser de CO2 utilizado no experimento. Após irradiação iniciou-se o processo de metalografia, onde as amostras foram embutidas, lixadas (utilizando lixas com granas de 100 até 1200), polidas com solução de alumina e atacadas com solução de nital 3% para revelar as fases martensíticas. Foram feitas medidas de dureza Knoop (HK) na sessão transversal da amostra partindo-se da região do substrato até a camada tratada, utilizando indentador Knoop com carga de 25 gf por 10 seg (microdurômetro Future Tech FM-700). Análises microestruturais foram realizadas utilizando microscopia óptica (MO) na secção transversal. Medidas de rugosidade da camada alterada pelo tratamento foram realizadas utilizando um rugosímetro eletro-mecânico Taylor Hobson 1000. Resultados e Discussões Para o parâmetro P1, onde a velocidade de varredura do feixe laser é 400 mm/s, obteve-se um valor de dureza máxima da ordem de 562 HK, conforme Figura 8. Este parâmetro de velocidade foi visto como uma restrição, pois apresentou rugosidade de 0,88 μm. Ao diminuir a velocidade a rugosidade irá aumentar ainda mais, pois a superfície terá imperfeições. Analisando a microestrutura resultante do tratamento P1 através de microscopia óptica conforme Figura 9, obteve-se a espessura da zona tratada (ZT) e zona termicamente afetada (ZTA). Figura 8. Perfil de dureza do Parâmetro 1. Figura 9. ZT e ZTA do Parâmetro 1. Para o parâmetro P2 com velocidade de 500 mm/s, observou-se uma dureza máxima de 821 HK, conforme Figura 10. Figura 11 apresenta a microscopia óptica do parâmetro P2. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 121 Figura 10. Perfil de dureza do Parâmetro 2. Figura 11. ZT e ZTA do parâmetro 2. Para velocidade de 600 mm/s (P3), observou-se uma dureza máxima de 949 HK, conforme Figura 12. A Figura 13 apresenta a microscopia óptica do parâmetro P3. Figura 12. Perfil de dureza do Parâmetro 3. Figura 13. ZT e ZTA do parâmetro 3. Para velocidade de 800 mm/s (P4), observou-se uma dureza máxima de 653 HK, conforme Figura 14. A Figura 15 apresenta a microscopia do parâmetro P4 Figura 14. Perfil de dureza do Parâmetro 4. Figura 15. ZT e ZTA do parâmetro 4. Para o parâmetro P5 com velocidade de 1000 mm/s, obteve-se uma dureza máxima de 594 HK, conforme figura 16. Com a análise de rugosidade, obteve-se uma rugosidade de 0,40 μm. O fato de este valor ser menor do que no parâmetro P1 está associado ao menor tempo de II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 122 interação entre o feixe laser e o material. Quanto maior a velocidade de varredura, menor será o tempo que a amostra fica em exposição à alta temperatura gerada pelo feixe, reduzindo a ablação da superfície da amostra tratada. A Figura 17 apresenta a microscopia óptica do parâmetro P5. Figura 16. Perfil de dureza do Parâmetro 5. Figura 17. Zonas ZT e ZTA do Parâmetro 5. Através da microscopia óptica da secção transversal de cada parâmetro foi possível observar a variação que ocorre na espessura das zonas tratadas (ZT) e zonas termicamente afetadas (ZTA), a Tabela 3 apresenta uma razão entre essas zonas, buscando a menor razão entre elas, porém com a máxima ZT. Parâmetros Tabela 3. Razão entre ZTA e ZT. ZTA ZT ZTA/ZT P1 20,66 35,17 0,587 P2 26,84 42,75 0,627 P3 26,25 22,08 1,188 P4 24,76 14,46 0,584 P5 8,02 11,28 1,406 Figura 18. Gráfico da variação entre ZTA e ZT. Analisando o gráfico da Figura 18, observa-se que a medida em que a velocidade de varredura do feixe de laser aumenta a razão entre as zonas também irá aumentar, isso irá ocorrer, pois a temperatura necessária para ocorrer o tratamento será menor, devido ao feixe ter menor tempo II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 123 de contato com a superfície. Para o parâmetro P4 sua razão foi de 0,584, valor considerado atípico, pois nessa temperatura espera-se que a ZTA seja mais espessa que a ZT. Conclusão Através da microscopia óptica, foi possível observar a ocorrência do tratamento térmico nos parâmetros 1, 2, 3, 4 e 5, medir a espessura da camada tratada e comparar resultados de dureza e rugosidade. Analisando as durezas encontradas, em todos os parâmetros aplicados foi possível observar uma melhora significativa em relação ao substrato não tratado. Menores velocidades de varredura do feixe de laser proporcionam camadas tratadas mais espessas, com menor razão entre ZT e ZTA e maior rugosidade superficial. Agradecimentos Ao CNPQ-PIBIC pela bolsa, ao IEAv pela oportunidade e ao colegas de laboratório pela ajuda e incentivo. Referências [1] Maillet, H. et al. O laser: princípios e técnicas de aplicação, Editora Manole, São Paulo, 1987. [2] Ganeev, R.A. Low-power laser hardening of steels, Journal of Materials Processing Technology, 121 (2002), 414-419. [3] Reis, J. L. Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO2, 2009. 104f. Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, SP. [4] Dias, A. N.; Chagas, D. C.; Vasconcelos, G. Recobrimento de aços AISI 4340 com BC via lasers de CO2. In: IV SICI 2010, 2010, SJCampos. IV SICI - Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv. SJCampos: IEAv-CTA, 2010. v. 01. p. 2730. [5] Costa, P.N.G.; VASCONCELOS, G.; Antunes, F.E. Recobrimento de partes metálicas com nanopartículas de negro de fumo via laser de CO2. In: III SICI, 2009, São Jose dos Campos. Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv. São Jose dos Campos: IEAV-CTA, 2009. v. 01. p. 25-26. Art.22 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.119-124, 2013 124 ROTINA COMPUTACIONAL PARA CÁLCULO DE PERMEABILIDADE E PERMISSIVIDADE COMPLEXAS DE AMOSTRAS POSICIONADAS EM LINHAS COAXIAIS R. G. A. de Lima1*; A. C. C. Migliano2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Avançada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: Permissividade elétrica, Permeabilidade magnética, Rotina computacional. Introdução As medidas das propriedades eletromagnéticas de materiais são de grande importância em diversos campos de pesquisa, como ciência dos materiais, em projeto de circuitos em microondas, no desenvolvimento de absorvedores eletromagnéticos, etc. [1], e também no setor produtivo, como das indústrias nas áreas de telecomunicações [2], aeronáutica, biomédica, espacial [3], etc. Diversas técnicas têm sido desenvolvidas e empregadas na determinação das propriedades dos materiais eletromagnéticos na faixa de radiofrequência (RF) e micro-ondas, tais como medidas da Transmissão e Reflexão (T/R) em um sistema de duas portas [1], somente reflexão e ressonante em um sistema de uma porta [4]. Dentre os métodos de T/R tradicionais, destacam-se os que empregam linhas coaxiais de ar, guias de ondas retangulares e métodos de espaço livre [1]. No método de linha coaxial de ar, amostras toroidais são inseridas entre os condutores interno e externo da linha coaxial, possibilitando medições em largas faixas de frequência. O algoritmo de conversão de Nicholson-Ross-Weir (NRW) [5-7] possibilita a determinação direta da permeabilidade (r*) e permissividade complexas (r*) de amostras de materiais, ao longo da frequência, a partir dos parâmetros de espalhamento (S) de uma rede elétrica de duas portas. Entretanto, precauções devem ser tomadas para corrigir erros de precisão nos resultados, como os causados pela posição do material dentro do porta-amostra em relação ao plano de referência do aparelho. Portanto, o uso do método invariante no plano de referência baseado no método de NRW [8] reduz as incertezas causadas pela posição da amostra para obter as propriedades eletromagnéticas do material estudado. Nesse trabalho abordou-se o desenvolvimento prático relacionado à implementação de uma rotina computacional em ambiente Agilent VEE, utilizando o método invariante no plano de referência para determinação da permissividade elétrica e permeabilidade magnética de amostras toroidais inseridas em linhas coaxiais de ar pelos métodos de T/R. A rotina computacional desenvolvida tem seu código aberto, o que permite que o usuário tenha acesso e controle às variáveis do processo e implemente otimizações para exploração dos resultados. Metodologia Foi desenvolvida uma rotina computacional em ambiente Agilent VEE que, a partir dos parâmetros S obtidos com o auxilio de um analisador de redes vetorial (VNA), calcula os valores de r* e r* por meio do método invariante no plano de referência. Por ter seu códigofonte aberto, é possível obter e alterar os valores das variáveis utilizadas nos cálculos para uma melhor caracterização da amostra. A Figura 1 apresenta o fluxograma da rotina principal. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 125 Os resultados obtidos pela rotina foram comparados com uma ferramenta comercial baseada no algoritmo de NRW para validação. Figura 1. Fluxograma da rotina principal O sistema de medida de duas portas empregado consistiu de um VNA Agilent modelo 8722ES, uma linha coaxial de ar com impedância característica de 50Ω compatível com a impedância de entrada do VNA, e um porta-amostra do tipo N ou APC-7 onde é posicionado o material a ser medido, um esquema do arranjo experimental é mostrado na Figura 2 e a imagem do arranjo experimental utilizado é mostrado na Figura 3. O porta-amostra utilizado possui (3,040 ± 0,005) mm de diâmetro interno e (7,000 ± 0,005) mm de diâmetro externo. O analisador de redes foi calibrado utilizando um kit de calibração da Agilent modelo 85052D de acordo com o procedimento Short-Open-Load-Through (SOLT) [9] na faixa de 0,5 a 4GHz. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 126 Analisador de Redes Vetorial Porta 1 Porta 2 Amostra Porta-amostra coaxial Figura 2. Esquema de uma arranjo de medição usando linha coaxial. Figura 3. Arranjo de medição usando linha coaxial utilizado para validação da rotina. Resultados e Discussão Uma amostra de PVC foi posicionada em uma linha coaxial preenchida por ar e os parâmetros S da amostra foram obtidos através de um analisador de redes Agilent modelo 8722ES. As Figuras 4 e 5 apresentam uma comparação entre a permissividade elétrica e a permeabilidade magnética, na faixa de frequência de 0,5 a 4 GHz, de uma amostra de PVC calculados pela rotina implementada e pela ferramenta comercial. A parte real da permissividade e a parte real da permeabilidade apresentaram 2,14% e 4,7% de diferença entre a rotina implementada e o programa comercial, respectivamente. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 127 3,0 ' - Rotina Implementada '' - Rotina Implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial Permissividade Complexa 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 500M 1G 2G 3G 4G Frequência (Hz) Figura 4. Parte real e parte imaginária da permissividade de uma amostra de PVC posicionada em uma linha coaxial de ar. Permeabilidade Complexa 1,0 ' - Rotina Implementada '' - Rotina Implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial 0,5 0,0 500M 1G 2G 3G 4G Frequência (Hz) Figura 5. Parte real e parte imaginária da permeabilidade de uma amostra de PVC posicionada em uma linha coaxial de ar. A seguir, para demonstrar os efeitos causados pela entrada de um valor incorreto da distância na permeabilidade e na permissividade do material e validar o algoritmo invariante no plano de referência, aumentou-se a distância da amostra em relação ao plano de referência de calibração. Os resultados obtidos pela rotina foram comparados com a ferramenta comercial, sem alterar o valor de entrada da distância da amostra à porta 1. As Figuras 6 e 7 mostram que, à medida que a frequência aumenta, os erros causados pela entrada de um valor incorreto de L1 aumentam. O método de NRW apresentou uma diferença II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 128 de até 14% no resultado da parte real da permissividade utilizando-se um valor incorreto de L1. Também se observou uma diferença de 18% na parte real da permeabilidade. Aplicandose o método invariante no plano de referência, essas discrepâncias caíram para 2,9% na parte real da permissividade e 2,8% na parte real da permeabilidade. 3,0 Permissividade Complexa 2,5 2,0 1,5 1,0 l1=28,42mm ' - Rotina Implementada '' - Rotina implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial l1>28,42mm ' - Rotina Implementada '' - Rotina Implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial 0,5 0,0 500M 1G 2G 3G 4G Frequência (Hz) Figura 6. Valores da permissividade real e imaginária de uma amostra de PVC variando a distância entre amostra e plano de calibração. Permeabilidade Complexa 1,0 l1=28,42mm 0,5 ' - Rotina Implementada '' - Rotina Implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial l1>28,42mm ' - Rotina Implementada '' - Rotina Implementada ' - Ferramenta Comercial '' - Ferramenta Comercial 0,0 500M 1G 2G 3G 4G Frequência (Hz) Figura 7. Valores da permeabilidade real e imaginária de uma amostra de PVC variando a distância entre amostra e plano de calibração. Conclusões Foi desenvolvida uma rotina computacional em ambiente Agilent VEE para auxiliar na II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 129 caracterização de materiais eletromagnéticos utilizando o algoritmo invariante no plano de referência para cálculo da permissividade e permeabilidade relativas complexas, considerando o método de T/R empregado em linhas coaxiais de ar. Utilizando um analisador de redes, foram obtidos os parâmetros S de amostras de PVC na faixa de frequência de 0,5 a 4 GHz e, a partir destes, foram calculadas a permeabilidade e permissividade relativas complexas do material e seus resultados foram comparados com os obtidos pela ferramenta comercial para constatar a efetividade da rotina, onde foi observada uma convergência entre os valores calculados pela rotina com os provenientes da ferramenta comercial. A seguir, foram feitas outras medições variando-se a distância entre a amostra e o plano de calibração, para demonstrar que os erros nos resultados da rotina implementada causados pela posição da amostra no porta-amostra são menores que os erros causados nos resultados na rotina de NRW. A rotina implementada apresentou erro de 2,9% na parte real da permissividade e 2,8% na parte real da permissividade, enquanto que a ferramenta comercial apresentou 14% de erro na parte real da permissividade e 18% na parte real da permeabilidade. Agradecimentos Ao Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos do IEAv pela infraestrutura, à FAPESP (projeto nº 2012/01448-2) e à CAPES (projeto Pró-Estratégia nº 026/2012) pelo auxilio financeiro. Referências [1] Rohde & Schwarz, Measurement of dielectric material properties, Application note, 2006. [2] Pardavi-Horvath, M. Microwave applications of soft ferrites, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Vols. 215-216, pp. 171-183, 2000. [3] Pullar, R. C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of hexaferrite ceramics, Progress in Materials Science, vol. 57, pp. 1191-1334, 2012. [4] Côrtes, A. L.; Migliano, A. C. C.; Brito, V. L. O.; Orlando, A. J. F. Practical aspects of the characterization of ferrite absorber using one-port device at RF frequencies, In: Progress In Electromagnetics Research Symposium, 2007, Beijing. Proceedings of Progress In Electromagnetic Research Symposium, vol. 01, pp. 683-687, 2007. [5] Nicolson, A. M. Broad-band microwave transactions characteristics from a single measurement of the transient response, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 17, n. 4, pp. 395-402, Dezembro 1968. [6] Nicolson, A. M.; Ross, G. F. Measurement of the intrinsic properties of materials by timedomain techniques, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 19, n. 4, pp. 377-382, Novembro 1970. [7] Weir, W. B. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at microwave frequencies, Proceedings of the IEEE, vol. 62, n. 1, pp. 33-36, Janeiro 1974. [8] Chalapat, K.; Sarvala, K.; Li, J.; Paraoanu, G. S. Wideband Reference-Plane Invariant Method for Measuring Electromagnetic Parameters of Materials, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, n. 9, pp. 2257-2267, Setembro 2009. [9] Agilent Technologies, Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements, Application Note AN 1287-3, 2002. Art.23 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.125-130, 2013 130 APLICAÇÃO DA REDE PERCEPTRON DE MÚLTIPLAS CAMADAS NO PROCESSAMENTO DE IMAGENS AÉREAS 1 L. O. F. Silva1, 2*; E. H. Shiguemori1 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos - SP 2 Universidade Paulista, UNIP - São José dos Campos - SP *[email protected] Palavras-chave: PDI, RNA, Perceptron. Introdução O emprego de imagens digitais tem crescido nos últimos anos em diversas áreas. Impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico e computacional, seu uso tem disponibilizado uma quantidade maior de informações em aplicações como: segurança [1]; automação industrial; sensoriamento remoto; navegação [2]. A extração de informações destas imagens torna-se importante para extrair características específicas, porém trabalhar com o processamento de imagens digitais (PDI) gera a necessidade de analise de muitos dados e de um alto processamento [3]. Neste trabalho são utilizadas redes neurais artificiais (RNA) em imagens aéreas para extração automática de informações, como abordada na pesquisa a classificação de regiões. As RNA tem baixo custo computacional, são tolerantes a falhas e possuem capacidade de aprendizagem, que as tornam indicadas para o processamento de imagens. Estas redes são modelos computacionais não lineares, inspirados na estrutura e operação do cérebro humano, que procuram reproduzir características humanas, tais como aprendizado, associação, generalização e abstração [4]. São efetivas no aprendizado de padrões a partir de dados não lineares. Seu conhecimento é adquirido através de um processo de aprendizagem, que são armazenados nos seus pesos. O algoritmo de treinamento realiza ajustes para que um conjunto de dados de entrada produza uma saída desejada, que pode ser obtido de diferentes formas como: treinamento supervisionado, a rede é treinada pela apresentação dos vetores de entrada e seus respectivos vetores de saída, chamados de pares de treinamento; e treinamento não supervisionado, o seu treinamento não requer vetor alvo para as saídas e não faz comparações para determinar a resposta ideal, o aprendizado ocorre quando a rede neural atinge uma solução generalizada para uma classe de problemas [4]. A Figura 1 ilustra um neurônio artificial. Figura 1. Estrutura simples de um neurônio [4]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.131-134, 2013 131 Metodologia Inicialmente é realizado um processamento de imagem que são extraídos de uma janela de 30x30 pixels cinco atributos que na literatura vem mostrando melhores resultados neste processo. Estes atributos são a média (µi) calculada pelo somatório dos valores de níveis de cinza (nc) de todos os pixels da imagem dividido pelo total de pixels (n=nlin*ncol), variância (σi) mede a variação dos níveis de cinza da imagem dada pela somatória dos níveis de cinza (nc) menos a média (µi) elevada ao quadrado e dividida pelo total de pixels (n), desvio padrão é a raiz quadrada da variância (σi) e informa sobre a maior ou menor homogeneidade, ou heterogeneidade, de uma imagem digital, entropia é menos a soma de toda a probabilidade de ocorrência (Pi) multiplicada pelo log2 da (Pi) e o gradiente que é o método de detecção e realce de bordas, e dado pela média do gradiente ao quadrado na direção x e y da imagem [4,5,6]. Em seguida, a rede neural é empregada para classificar padrões em imagens utilizando esses cincos atributos. O estudo se baseia em aplicar a Rede Neural Perceptron de Múltiplas Camadas com o objetivo de classificar regiões nas imagens como urbana e rural, e que dentro das revisões bibliográficas realizadas vem sendo mais utilizada e seus resultados apresentados estão sendo satisfatórios. No desenvolvimento foram utilizado o MATLAB e a linguagem de programação C. Resultados e Discussão Após transformar as imagens em tons de cinza são extraídos os cinco atributos das imagens como média, variância, desvio padrão, gradiente e entropia [4] que a RNA utiliza-se para classificar as regiões nas imagens como sendo urbanas e rurais. Na Figura 2. È apresentada a imagem original e o resultado da classificação, os asteriscos indicam os pontos da imagem classificados como urbana e os círculos indicam os pontos classificados como rural. Na Figura 3. Apresenta-se outro exemplo de classificação. Figura 2 (a) imagem original. (b) resultados da aplicação da RNA para classificação das regiões urbanas e rurais. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.131-134, 2013 132 Figura 3 (a) imagem original. (b) resultados da aplicação da RNA para classificação das regiões urbanas e rurais. Outros testes foram feitos considerando oito imagens aéreas para classificação de regiões rurais e urbanas, utilizando a RNA. As Tabelas 1 e 2 apresentam os resultados referentes, respectivamente, à classificação rural e urbana. As tabelas também apresentam a porcentagem de acerto em cada caso. Tabela 1. Resultado com imagens classificadas em áreas rurais. Imagem Total Rural % de acerto 1 76 89,47 2 38 94,74 3 65 81,54 4 55 72,73 5 78 78,21 6 88 84,09 7 82 75,61 8 84 70,24 Tabela 2. Resultado com imagens classificadas em áreas urbanas. Imagem Total Urbana % de acerto 1 224 95,54 2 127 93,70 3 235 94,89 4 245 92,65 5 222 97,75 6 212 96,23 7 218 92,66 8 216 94,91 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.131-134, 2013 133 Conclusão Observa-se que o uso da Rede Perceptron de Múltiplas Camadas com os cinco atributos das imagens é promissor. A RNA classificou corretamente em média 94,79% das áreas urbanas e em média 80,83% das áreas rurais. No entanto, ressalta-se que o trabalho ainda está em desenvolvimento e outras imagens serão testadas. Em trabalhos futuros serão classificados outros padrões. Além disso, pretende-se utilizar algoritmos genéticos para seleção dos atributos mais adequados para a classificação de padrões presentes nas imagens aéreas. Agradecimentos Ao CNPq, ao Projeto PITER, a Divisão de Geointeligência e ao IEAv – Instituto de Estudos avançados. Referências [1] KANDHALU, A.; ROWE, A.; RAJKUMAR, R.; CHINGCHUN HUANG; CHAOCHUN YEH. Real-Time Video Surveillance over IEEE 802.11 Mesh Networks. In: 15TH IEEE REAL-TIME AND EMBEDDED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS SYMPOSIUM, 4., 2009, San Francisco. Proceedings… San Francisco: Canada, 2009. p. 205-214. [2] KIM, S.; ROH, C.; KANG, S.; PARK, M. Outdoor Navigation of Mobile Robot Using Diferential GPS and Curb Detection. In: IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON ROBOTICS AND AUTOMATION, 4., 2007, Roma. Proceedings… Roma: Italy, 2007. p. 3414-3419. [3] SANTOS, J, C.; OLIVEIRA, J, R, F.; DUTRA, L, V.; SANT’ANNA, S, J, S.; RENNÓ, C, D. Seleção de atributos usando algoritmos genéticos para classificação de regiões. In: XIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 4., 2007, Florianópolis. Proceedings... Florianópolis: Santa Catarina, 2007. p. 6143-6150. [4] PERELMUTER, G.; CARRERA, E.V.; VELLASCO, M.; PACHECO, M.A. Reconhecimento de Imagens Bidimensionais Utilizando Redes Neurais Artificiais. In: VIII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE COMPUTAÇÃO GRÁFICA E PROCESSAMENTO DE IMAGENS, 8., 1995, São Carlos. Proceedings... São Carlos: São Paulo, 1995. p. 197-204 [5] MARQUES FILHO, O.; VIEIRA NETO, H. Processamento Digital de Imagens. 1.ed. Rio de Janeiro:Brasport, 1999. 331p. [6] HABERMANN, M.; SCARPEL, R. A.; SHIGUEMORI, E. H. Pré-processamento de imagens aéreas aplicado à navegação autônoma. In: SIMPÓSIO DE APLICAÇÕES OPERACIONAIS EM ÁREA DE DEFESA, 12., 2010, São José dos Campos. Proceedings... São José dos Campos: São Paulo, 2010. p. 235-239. Art.24 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.131-134, 2013 134 USO DO DESCRITOR ORB PARA LOCALIZAÇÃO DE OBJETOS MÓVEIS EM IMAGENS OBTIDAS POR VANT 1 R. A. Rebouças1 2 *; M. Habermann1; R. A. Pena1 2; E. H. Shiguemori1 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos – SP 2 Universidade Paulista – UNIP, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: processamento de imagens, visão computacional, RANSAC, morfologia matemática. Introdução O uso de imagens e vídeos obtidos por Veículos Aéreos Não Tripulados – VANT tem propiciado uma gama de pesquisas em Sensoriamento Remoto nas áreas de visão computacional e processamento de imagens [1]. Os VANTs podem ser utilizados para aplicações civis [2], por exemplo, na agricultura [3], no monitoramento de grandes áreas geográficas, na identificação de automóveis, pessoas ou animais, ou militares, para identificação de tropas e embarcações com aplicações nas áreas de vigilância e segurança territorial [4]. Para essas aplicações do VANT observa-se a necessidade de desenvolvimentos de métodos para processamento de imagens em tempo real. Neste trabalho aborda-se o problema de localização de objetos móveis em imagens obtidas por um VANT. Existem diferentes técnicas e métodos para tratar esse tipo de problema, como as apresentadas em [5], [6], [7] e [8]. Neste estudo são aplicadas técnicas que fazem uso do descritor ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF) [9], do método RANSAC (RANdom SAmple Consensus) [10] e de operações morfológicas, tendo como objetivo a extração automática de informações para o monitoramento de grandes áreas, com a localização de objetos em movimento. Metodologia É utilizada uma videografia realizada por um VANT Multirrotor do tipo Hexa (Figura 1), para a aquisição das imagens. Figura 1. Imagem de um Multirrotor do tipo Hexa. Na Figura 2 é ilustrado o fluxograma da metodologia. O primeiro passo consiste na captura de duas imagens consecutivas nos tempos e , através de uma camera FPV (First Person View), que faz a recepção da videografia para uma estação de solo. Em seguida a técnica ORB [9] é aplicada nas duas imagens, para detectar e descrever os pontos de interesse. Com os descritores dos pontos estimados, é feito o casamento entre os pontos da imagem obtida no II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 135 instante e da imagem do instante utilizando a distancia de Hamming [11]. Em seguida faz-se uso do método de RANSAC [10] para estimar o deslocamento da câmera do VANT. Finaliza-se com operações morfológicas para localização de objetos móveis. Figura 2. Metodologia proposta. No estudo, por utilizar imagens de VANT, ou seja, aéreas, faz-se necessário compensar a movimentação da câmera. Para isso, faz uso do descritor binário ORB [9] para encontrar e descrever os pontos de interesse, pois, comparado com outros descritores, demonstra um custo computacional menor [12] e pode ser aplicado em tempo real [13]. O ORB [9] é uma técnica para extrair e descrever pontos de interesse. Ele é baseado no detector FAST [14], que possui um calculo rápido, para encontrar os Pontos de Interesse e no descritor BRIEF [15] para encontrar as características dos pontos, para formar os descritores. Para fazer a correspondência entre os pontos de interesse nas imagens nos tempos e , para cada descritor local binário do ponto encontra o descritor mais próximo, utilizando a distancia de Hamming, que calcula a quantidade de posições que os descritores binários diferem entre si, como é apresentado na Figura 3, sendo as linhas a correspondência dos pontos casados. Figura 3. Correspondência entre as imagens. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 136 Em seguida, usa-se o método de RANSAC [10] para encontrar a transformação geométrica afim de cada uma das imagens com as coordenadas dos vetores dos descritores casados entre os tempos e . Com as coordenadas que o RANSAC [10] encontra, pode-se obter a informação de deslocamento no tempo t para o tempo t + 1. Como é mostrada na Figura 4 com a transformação geométrica afim da imagem desenhada na imagem . Figura 4. Correspondência entre as imagens e a transformação geométrica afim com o RANSAC. Por se tratar de uma imagem aérea obtida por um VANT, a imagem pode ter alteração de escala, rotação, cisalhamento e translação. Para compensar estas possíveis distorções, primeiramente é aplicada a transformação geométrica afim adquirida pelo RANSAC [10] na imagem no tempo , e em seguida é feito o casamento desta imagem com a imagem no tempo para verificar se a transformação geométrica afim foi feita corretamente, como é mostrada na Figura 5. Figura 5. Correspondência entre as imagens após a transformação geométrica afim na imagem e a perspectiva com o RANSAC na imagem . Como mostrado na Figura 5, as imagens processadas não apresentam diferença de escala, rotação e cisalhamento, apenas translação. A fim de compensar a movimentação da câmera, e corrigir a diferença de translação, é feito um corte em ambas as imagens nos tempos e , como ilustrado na Figura 6. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 137 Figura 6. Corte entre as imagens nos tempos t e t + ∆t. Por fim, a imagem no tempo é subtraída pela imagem no tempo , como mostrado na Figura 7.a, porém as imagens obtidas da videografia podem sofrer degradações, devido à movimentação da câmera, que podem ser observados por borrões e distorções na imagem. Esses ruídos podem ser classificados, erroneamente, como objetos móveis. Para resolver esse problema na imagem subtraída (Figura 7.a) é aplicada uma limiarização (Figura 7.b) para realçar a movimentação na imagem, e as seguintes operações morfológicas [16]: a erosão (Figura 7.c), para remover os ruídos; e a dilatação (Figura 7.d), para destacar os objetos móveis. (a) (b) (c) (d) Figura 7. Subtração entre as imagens (a), imagem limiarizada (b), imagem aplicada erosão (c) e imagem aplicada dilatação (d). Resultados e Discussão A Figura 8 apresenta os resultados da videografia com a localização dos objetos móveis, neste caso, veículos. Onde a Figura 8.a é adicionado a imagem dilatada (Figura 7.d) na imagem cortada (Figura 6). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 138 (a) (b) (c) (d) Figura 8. Resultados do processamento de imagens obtidas pela Videografia. Conclusões Os resultados obtidos até o momento mostram que as abordagens com uso da técnica ORB, para identificar e descrever os pontos de interesse, o método do RANSAC, para identificar o deslocamento da câmera, e das operações morfológicas para remover os ruídos da imagem e localizar os objetos móveis mostram-se promissoras para o problema proposto. Porém este estudo ainda está em desenvolvimento e outras abordagens devem ser estudas a fim de melhorar o sistema e obter mais informações sobre os objetos móveis. Agradecimentos Ao CNPq, através da bolsa de Iniciação Científica - PIBIC-IEAv e ao EMAER, através do projeto PITER, no. V01050303. Referências [1] ALTUG, E.; OSTROWSKI, J.P.; TAYLOR, C.J. Control of a Quadrotor Helicopter using Dual Camera Visual Feedback, The International Journal Of Robotics Research, Volume 24, No. 5, p. 329-341, 2005. [2] PING, J. T. K.; LING, A. E.; QUAN, T.J.; DAT, C. Y.; Generic unmanned aerial vehicle (UAV) for civilian application-A feasibility assessment and market survey on civilian application for aerial imaging. Sustainable Utilization and Development in Engineering and Technology (STUDENT), IEEE Conference on, p. 289-294, 2012. [3] MEDEIROS, F.A. Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado para aplicação em agricultura de precisão. Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2007. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 139 [4] NONAMI, K.; KENDOUL, F.; SUZUKI, S.; WANG, W.; NAKAZAWA, D. Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles. Autonomous Flying Robots, Ed. Springer, p. 3, 2010. [5] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Identificação de objetos móveis com uso de vídeos aéreos para aplicação de VANT. V Encontro de Usuários de Sensoriamento Remoto das Forças Armadas, 2012. [6] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Uso do Fluxo Óptico para detecção de objetos móveis em imagens aéreas. XIV Simpósio de Aplicações Operacionais em Áreas de Defesa, 2012 [7] REBOUÇAS, R. A.; SHIGUEMORI, E. H. Acompanhamento de objetos móveis em imagens aéreas. I Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, 2012. [8] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Identificação de objetos móveis com uso de imagens aéreas obtidas por VANT. XVI Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto, 2013. [9] RUBLEE, E.; RABAUD, V.; KONOLIGE K.; BRASKI, G. ORB: An efficient alternative to SIFT or SURF. Computer Vision (ICCV), 2011 IEEE International Conference on, p. 2564-2571, 2011. [10] FISCHLER, M. A.; BOLLES, R. C. Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography. Communications of the ACM, v. 24, n. 6, p. 381-395, 1981. [11] HAMMING, R. W.; Error Detecting and Error Correcting Codes, The Bell Systems Technical Journal, v. 29, n. 2, p. 147-160, 1950. [12] ZHEN PENG. Efficient matching of robust features for embedded SLAM. Stuttgart, 2012. Computer Science, University of Stuttgart. [13] XUEFENG XIE; HEFENG WU. ORB tracking via random model and sample consensus. Image and Signal Processing (CISP), 2012 5th International Congress on, p. 113117, 2012. [14] ROSTEN, E.; DRUMMOND, T. Machine learning for high-speed corner detection. Computer Vision–ECCV 2006, p. 430–443, 2006. [15] CALONDER, M.; LEPETIT, V.; STRECHA, C.; FUA, P. BRIEF: Binary Robust Independent Elementary Features. Computer Vision–ECCV 2010, p. 778–792, 2010. [16] BRADSKI, G.; KAEHLER, A. Learning OpenCV - Computer Vision with the OpenCV Library. O’Reilly Media, 2008. Art.25 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.135-140, 2013 140 FERRITA DE COBALTO BÁRIO PARA APLICAÇÃO EM ECAPSULAMENTO DE SENSORES G. P. Zanella1,2,*; A. C. C. Migliano1,2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-Chave: RADOME, Hexaferrita, Z-type, Permeabilidade Complexa, Permissividade Complexa. Introdução O estudo das propriedades eletromagnéticas dos materiais nas faixas de radiofrequência (RF) e de micro-ondas, apesar de ser um campo antigo da física, ainda hoje possui grande importância acadêmica e tecnológica. As técnicas empregadas nas medidas dessas propriedades, que podem ser macroscópicas ou microscópicas, são importantes nas pesquisas de materiais, principalmente no desenvolvimento de compósitos e estruturas funcionais que absorvam o espalhamento eletromagnético ou que promovam o isolamento térmico de sensores e dispositivos sob alta temperatura, garantindo a integridade de suas propriedades eletromagnéticas (RADAR Dome - RADOME) [1-3]. Dessa maneira, os objetivos desse trabalho foram o de desenvolver uma ferrita do tipo Co2Z (Co2Ba3Fe24O41) e estudar as suas propriedades eletromagnéticas intrínsecas à avaliação para encapsulamento de sensores. Metodologia Neste trabalho, foram sintetizadas ferritas hexagonais do tipo Z utilizando a reação do estado sólido. As Fig. 1a e 1b simplificam o processo adotado para confecção das amostras. Os óxidos dos elementos químicos foram pesados na proporção correta para obtenção da estequiometria Co2Ba3Fe24O41. Após a pesagem, estes pós foram colocados em um almofariz de ágata e moídos manualmente por uma hora. (a) (b) Figura 1: Processo de fabricação (a) pré-sinterização (b) sinterização; Após a pesagem, os óxidos foram moídos e misturados em moinho de bolas excêntrico durante 1 hora. A pré-sinterização ocorreu por 4 horas a 1100 °C, com taxa de aquecimento de 200 °C.h-1. Amostras para as diversas caracterizações foram compactadas a partir do pó II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.141-144, 2013 141 pré-sinterizado moído, por meio de prensagem uniaxial de 50 MPa. As amostras conformadas foram sinterizadas com patamar de 1330 °C, seguindo a mesma taxa de aquecimento da présinterização, mas de acordo com a literatura, o aquecimento não pode ser direto para 1330 ºC, então realizou-se um pré-aquecimento por 4 horas até o patamar de 1100 ºC, obedecendo a taxa de aquecimento de 200 °C.h-1. Por fim, elevou-se a temperatura até 1330 ºC, onde esta permaneceu por 6 horas. Na análise microestrutural por difração de raios-x (DRX), uma amostra sinterizada foi separada para avaliação da microestrutura formada durante a etapa de sinterização e confirmação da formação da estrutura desejada. Realizaram-se imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) para observar a conformação dos grãos das estruturas formadas. A caracterização eletromagnética, de três amostras sinterizadas, foi realizada utilizando-se um analisador de redes vetorial modelo HP 8722ES, na faixa de 100 MHz a 10 GHz. As amostras foram analisadas em relação a sua permeabilidade e permissividade complexas. Resultados e Discussão A Tabela 1 apresenta as densidades calculadas para as amostras produzidas. A densidade relativa apresentou valor de 4,523 g.cm-3 e comparando com a densidade teórica a amostra apresentou uma porosidade de 15,46%, tendo uma densificação de 84,54%. Densidade Relativa Tabela 1: Densificação das amostras de Co2Z; Densidade Teórica Densificação Porosidade 4,523 g.cm-3 5,35 g.cm-3 84,54% 15,46% A Fig. 2 mostra o resultado da DRX. Os picos encontrados de maior intensidade foram da estrutura Co2Z desejada, porém picos secundários a direita do gráfico mostram a formação da estrutura Co2W. As fases secundárias podem ser diminuídas e/ou eliminadas resinterizando a amostra com o mesmo ciclo térmico de sinterização [4]. Figura 2: Difractograma de Raios-X da amostra de Co2Z; As Fig. 3a e 3b apresentam imagens de microscopia eletrônica de varredura das amostras da ferrita do tipo Z. É possível observar a heterogeneidade do tamanho dos grãos formados durante a etapa de sinterização das amostras. Na Fig. 3b, verifica-se com maior nitidez a formação dos grãos da estrutura Co2Z. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.141-144, 2013 142 Figura 3: Microestrutura obtida através de microscopia eletrônica de varredura; As Fig. 4a e 4b mostram, respectivamente, os valores de permeabilidade complexa e permissividade complexa, dentro da faixa de 100 MHz a 10 GHz. A parte real da permissividade (ε’) mantém o patamar em 38 durante praticamente toda a faixa de frequência. E a parte imaginária da permissividade (ε’’) acompanha durante toda a faixa de frequência, porém com o patamar próximo a zero. A permeabilidade complexa mostra um patamar até 800 MHz, acima desta frequência a parte real da permeabilidade (µ’) começa a decair. Desta forma, este material pode ter sua aplicação em RADOME até 800 MHz. Figura 4: (a) permeabilidade complexa, (b) permissividade complexa; Conclusões Difratograma de Raios X mostrou a dificuldade de se obter apenas a estrutura cristalina desejada quando esta é muito complexa de ser formada e envolver outras estruturas em sua composição. Esta informação foi corroborada com as análises de energia dispersiva por área e microscopia eletrônica de varredura. As imagens de microscopia eletrônica de varredura apresentaram regiões onde podem ser identificadas as formações da estrutura cristalina do tipo Z, porém com um crescimento de grão desuniforme, com tamanhos irregulares. A ferrita de Cobalto Bário apresentou propriedades elétricas muito interessantes e promissoras, onde em uma faixa de frequência esta se manteve constante até aproximadamente 10 GHz e mostrando perdas nulas. A permeabilidade apresentou um valor próximo a 5 para µ’ que se manteve constante até 800 MHz e depois decai com o aumento da frequência. Este decaimento do valor da parte real da permeabilidade com o aumento da frequência não é favorável para atenuação da onda eletromagnética incidente. Em vista das propriedades II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.141-144, 2013 143 eletromagnéticas obtidas esta ferrita com composição Co2Ba3Fe24O41 pode ser utilizada como encapsuladora de sensores até 800 MHz. Agradecimentos Ao IEAv pela infraestrutura disponibilizada para confecção das amostras; À agência de fomento “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2; à agência de fomento “CAPES/Pró Estratégia” pelo financiamento do projeto nº 26/2012; Ao Laboratório de Filmes Finos do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, pela instalação do MEV (FAPESP proc. #95/5651-0). Referências [1] CHEN, L. F. et al. Microwave electronics: measurement and materials characterization. New York, NY: John Wiley & Sons, 2004. [2] REITZ, J. R.; MILFORD, J. F.; CHRISTY, R. W. Fundamentos da teoria eletromagnética. Tradução de R. B. Sander. 18ª reimpressão. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 1982. [3] VON HIPPEL, A. R. (Ed.). Dielectric materials and applications. Cambridge, MA: The MIT Press, 1966. [4] ZHANG, H.; LONGTU, L.; ZHOU, J.; YUE, Z.; MA, Z.; GUI, Z. Microstructure characterization and properties of chemically synthesized Co2Z hexaferrite. Journal of the European Ceramic Society, 21, 2001. Art.26 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.141-144, 2013 144 ANÁLISE DA TÉCNICA DE CANCELAMENTO PASSIVO EM CILINDRO COM FENDA UTILIZANDO O MÉTODO FDTD A. F. N. Boss1*; R. G. A. de Lima1; A. C. C. Migliano1,2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Ciências e Tecnologias Espaciais/Sensores e Atuadores Espaciais, São José dos Campos - SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: Radar Cross Section – RCS; Finite Difference Time Domain – FDTD; redução de RCS. Introdução A Seção Reta Radar (Radar Cross Section – RCS) é a medida da intensidade de uma onda refletida por um objeto, sendo possível identificar suas características como tamanho, perfil e orientação. Apesar da possibilidade de uso civil desta tecnologia, a mesma é comumente utilizada na área militar para identificação de veículos. Consequentemente, há um grande interesse em reduzir a RCS destes veículos, adequando-os para operações de reconhecimento de área e identificações de alvos. Dentre as técnicas de redução de RCS encontra-se a de cancelamento passivo, onde uma onda refletida é cancelada com uma onda secundária [1-2]. A RCS pode ser calculada analiticamente ou por meio de métodos numéricos. Dentre os diversos métodos existentes para simulação de fenômenos eletromagnéticos e análise de RCS, há o método de diferenças finitas no domínio do tempo (Finite Difference Time Domain – FDTD). Este método trabalha no domínio do tempo, tornando possível a analise de resultados em função do tempo e, aplicando a transformada de Fourier, em função da frequência [3]. O objetivo deste trabalho foi avaliar a técnica de cancelamento passivo por meio de ensaios experimentais e simulações com o método FDTD. Carregamentos centrais com diferentes propriedades dielétricas de materiais foram avaliados por meio de simulação, a fim de parametrizar as frequências em que ocorrem as reduções da RCS. Um cilindro com fenda dupla também foi investigado. Metodologia Para realizar o ensaio experimental, foi projetado e confeccionado um cilindro de latão com um condutor interno e dois condutores externos possibilitando a formação de uma fenda. As dimensões utilizadas são descritas na Figura 1. Figura 1. Vista explodida do cilindro metálico confeccionado. Os diâmetros no interior do cilindro (3 e 7 mm) foram baseados nas ferritas que são confeccionadas no Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos. Com isto, é possível medir os materiais utilizados como carregamento central (ou carga) em um analisador de impedância. Esta carga é posicionada no centro do cilindro, onde é identificada através da fenda. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 145 A Figura 2 apresenta a curva de permissividade do Teflon, utilizado como carga no ensaio experimental. Este material apresenta valores médios de permissividade real e imaginária de, respectivamente, 2,00 ± 0,01 e 0,00 ± 0,01 entre 0,8 e 4 GHz. Figura 2. Valores experimentais obtidos para a permissividade relativa do Teflon. O ensaio experimental é baseado em um radar mono estático, ou seja, a mesma antena que emite o sinal captura a onda espalhada. Para isto, uma antena corneta banda larga é fixada dentro de uma câmara anecóica. Esta antena é ligada em um analisador de redes, localizado no lado externo da câmara, por meio de um cabo com conectores de 2,4 mm. Para reduzir ruídos causados pelo cabo, é feita uma calibração do analisador de redes com o cabo conectado antes de ser ligado na antena. A frequência da calibração, assim como de todo o ensaio, é de 0,8 à 4 GHz. Para uma maior resolução do espectro de espalhamento, a calibração e as medidas são feitas com 16001 pontos. Com as portas da câmara fechadas, é realizada uma medida de ruído de fundo, que é subtraída das medidas futuras feitas com o cilindro. As medidas são feitas com o cilindro posicionado a, aproximadamente, 15 cm de distância da antena. Essa distância, calculada com base na literatura [1], garante uma medida com o mesmo padrão de reflexão até 2,2 GHz, aproximadamente. Através do esquema da Figura 3 é mais fácil entender o posicionamento de cada equipamento. Figura 3. Esquema do posicionamento dos equipamentos para realização do ensaio experimental. Os parâmetros escolhidos para as simulações são apresentados na Figura 4. Uma onda plana gaussiana incide em no cilindro configurado com um material condutor elétrico perfeito (Perfect Electric Conductor – PEC). Para calcular a RCS em função da frequência, um sensor de campo distante é posicionado no mesmo local da onda incidente e, para calcular a RCS em II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 146 função do ângulo, são posicionados vários sensores ao redor do cilindro, que avaliam a RCS em função do ângulo na frequência de 1 GHz. Uma camada perfeitamente casada (Perfect Matched Layer – PML) com 7 células se mostrou eficaz para redução de reflexões indesejadas causadas pelo término do espaço finito definido. O tamanho de célula utilizado em todo o espaço finito foi de 0,5 mm. Figura 4. Parâmetros escolhidos para as simulações. Resultados e Discussão Os resultados experimentais e simulados são exibidos a seguir. A Figura 5 é a comparação entre a RCS de um cilindro comum (sem fenda) com os resultados experimental e simulado de um cilindro com fenda de 1 mm, utilizando os valores medidos do Teflon como carga. Figura 5. Comparação entre resultado da RCS de um cilindro metálico comum com resultados experimental e simulado de um cilindro com fenda de 1 mm e carga de Teflon. O ponto máximo de absorção experimental foi de -57,54 dB em 1,022 GHz e o da simulação foi de -71,47 dBm² em 1,014 GHz. No resultado experimental há uma pequena oscilação entre 1,5 e 1,6 GHz devido à folga entre o condutor externo e a carga na região da fenda, que II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 147 causa um desalinhamento entre a parte superior e inferior do cilindro com fenda. Já a oscilação entre 1,7 GHz e 2,0 GHz é devido a um ruído da câmara anecóica que, apesar de ter sido reduzido, ainda aparece nas medidas. A Figura 6 é uma comparação entre a RCS tridimensional de um cilindro comum e a RCS de um cilindro com fenda de 1 mm e carga de Teflon, ambos avaliados em 1 GHz. (a) (b) Figura 6. RCS tridimensional de (a) um cilindro comum e um (b) cilindro com fenda de 1 mm e carga de Teflon. A folga entre o condutor externo e a carga causa um desalinhamento entre os condutores externos, além de uma imprecisão na medida do tamanho da fenda. Isto pode ser visualizado através da Figura 7, que é uma análise da fenda em um projetor de perfil. Figura 7. Análise do cilindro com fenda de 1 mm no projeto de perfil. Dois fatores são cruciais para determinar a frequência de redução da RCS do cilindro: o tamanho da fenda e a permissividade real (ε’) do material. Sendo assim, foram simulados materiais dielétricos fictícios, com valores de ε’ entre 1 e 6, e diferentes tamanhos de fenda. A partir destas simulações, foram anotados os pontos de maior absorção e criado o gráfico da Figura 8. O gráfico relaciona o tamanho da fenda com a frequência de absorção e possui 6 linhas, referentes a cada valor de permissividade real. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 148 Figura 8. Gráfico do tamanho de fenda em função da freqüência de redução da RCS para materiais com valores de permissividade real entre 1 e 6. A linha ligando os pontos para cada permissividade real é referente ao cálculo do polinômio de terceira ordem. Através da equação (1) é possível calcular, aproximadamente, o tamanho de fenda necessário para obter a redução da RCS em uma determinada frequência desejada (1) . Os valores de a, b, c e d da equação acima são dados na Tabela 1, que possui valores diferentes para cada valor de ε’. ε’ = 1 31,92 -37,62 -9,60 16,58 Tabela 1. Valores das constantes para a equação (1). ε’ = 2 ε’ = 3 ε’ = 4 ε’ = 5 24,72 11,32 163,11 229,04 -43,74 -10,10 -452,03 -664,69 12,53 -17,67 407,52 632,46 7,41 17,85 -116,59 -193,92 ε’ = 6 309,32 -928,98 919,16 -295,72 Um cilindro com duas fendas, Figura 9, também foi simulado. Este cilindro possui um anel metálico posicionado no meio da fenda, formando assim duas fendas secundárias. Figura 9. Projeto do cilindro com fenda dupla. A Figura 10 é a RCS deste cilindro, utilizando fendas secundárias de 1 mm distanciadas por um anel de tamanho entre 1 e 7 mm, com carregamento central de Teflon. Nota-se que, na medida em que as fendas secundárias se distanciam, a freqüência onde ocorre a maior redução da RCS aumenta. É possível observar que, para conseguir uma redução de RCS em 1,3 GHz, seria necessário um cilindro com fenda simples de aproximadamente 5,3 mm, ou um cilindro com duas fendas secundárias de 1 mm separadas por 7 mm. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 149 Figura 10. RCS do cilindro com fendas secundárias igual a 1 mm separadas por uma distância de 1 a 7 mm. Conclusões Uma das vantagens de se trabalhar com o método FDTD é a possibilidade de avaliação de uma ampla faixa de frequência em apenas uma simulação, o que facilita a observação de onde ocorre a redução do sinal em função da frequência. Um dos parâmetros que altera a frequência de redução da RCS é o tamanho da fenda. Quanto maior a fenda do cilindro, maior é a frequência em que a redução da RCS ocorre. Para o cilindro com fendas duplas, a ocorrência da redução da RCS em função da frequência aumenta na medida em que as fendas se distanciam uma da outra. Observou-se que, um cilindro com duas fendas de 1 mm separadas por 7 mm, age em uma frequência próxima a um cilindro com uma única fenda de 5,3 mm. Também foi possível verificar que como a permissividade real da carga influência na frequência de redução. Quanto maior a permissividade real do material, menor é a frequência onde ocorre a redução da RCS. Utilizando os parâmetros adequados nas simulações foi possível obter resultados confiáveis, que corroboraram com os dados experimentais. Agradecimentos Agradecemos à “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2, à “CAPES/Pró Estratégia” pelo financiamento do projeto 050/2012 e à “CAPES” pela bolsa de estudo Referências [1] FILHO, O. M. B. Redução de seção reta radar (RCS) em estruturas cilíndricas finas e moderadas utilizando carregamento central com impedância concentrada. 2003. 221 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. [2] JENN, D. C. Radar and laser cross section engineering. 2 ed. Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005. 505 p. [3] KUNZ, K. S.; LUEBBERS, R. J. The finite difference time domains method for electromagnetics. Boca Raton: CRC Press, 1993. 464 p. Art.27 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.145-150, 2013 150 ESTUDOS PRELIMINARES SOBRE AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM SISTEMAS EMBARCADOS EM AERONAVES A. C. M. Prado2*; F. H. Oliveira1; O. L. Gonçalez2; C. A. Federico2 1 ETEP Faculdades – ETEP, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: Aviônicos; “Single Event Effects”; “Single Event Upset” Introdução O ambiente de radiação ionizante aeronáutico é caracterizado pela radiação cósmica que é composta por diversos tipos de partículas e ondas de alta energia oriundas do espaço e que atingem a Terra. Parte destas partículas é defletida pelo campo magnético enquanto a outra parte atravessa o mesmo. Quando isto ocorre as partículas primárias da radiação cósmica interagem com os átomos da atmosfera formando chuveiros secundários de radiação que impactam a Terra, principalmente a troposfera e a baixa estratosfera. Devido ao fato de estarem inseridos neste ambiente de radiação ionizante os equipamentos eletrônicos embarcados em aeronaves são susceptíveis ao fenômeno conhecido como “Single Event Effects” (SEE) produzidos por nêutrons. Estes efeitos acontecem principalmente nos computadores de bordo de aeronaves podendo comprometer a segurança de voo [1; 2; 3] e devido a crescente miniaturização destes componentes, indo da escala de micro para nanômetros, tem se observado um aumento significativo na susceptibilidades aos efeitos da radiação ionizante. A taxa esperada de SEE do dispositivo depende da seção de choque do mesmo, que pode ser obtida em bibliotecas de dados oriundos de testes realizados previamente em dispositivos semelhantes ou ser obtida através de teste no dispositivo de interesse. A realização de ensaios para SEE em dispositivos aviônicos envolve análises especificas que determinam o tipo de campo de radiação para teste, o tipo de hardware a ser utilizado para o mesmo e o tipo de ensaio. O fenômeno SEE ocorre devido ao deposito de cargas geradas por partículas atômicas em dispositivos, ocasionando falhas e mau funcionamento do mesmo. A medida da susceptibilidade de um dispositivo à este tipo de efeito é avaliada por meio de um parâmetro denominado “Seção de choque SEE”. A seção de choque SEE do dispositivo é a medida da área sensível do mesmo, dada em número de falhas por unidade de fluência de radiação incidente. Os eventos SEE mais significativos para aviônicos em altitudes de voo são Single Event Effect (SEU), Multiple Bit Upset (MBU) e Single Event Functional Interrupt (SEFI), porém classificar os eventos mais significativos para aviônicos é difícil porque esta classificação pode mudar durante o tempo, já que os dispositivos sofrem alterações tecnológicas e a interferência da radiação pode ser diferente com dispositivos antigos ou novos. O principal efeito SEE que ocorre nestes equipamentos é conhecido como “Single Event Upset” (SEU) [4]. Para atendimento aos princípios de segurança de voo, é necessário avaliar os dispositivos microeletrônicos embarcados quanto à sua susceptibilidade à falhas por SEE, SEU entre outros eventos induzidos pela interação da radiação atmosférica, de forma a garantir que sistemas críticos não estão sujeitos a sofrer falhas graves devido à este fenômeno. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 151 O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo prospectivo do estado da arte e dos controles, metodologias de teste e requisitos de engenharia quanto aos efeitos e a tolerância à radiação cósmica de sistemas eletrônicos e opto-eletrônicos aplicados em aviônicos. Metodologia Utilizando a técnica da análise de perigos funcionais (“Functional Hazard Analysis” - FHA) [5] o sistema é avaliado em relação aos perigos potenciais que poderiam afetar a segurança da aeronave, classificando os riscos exigidos para cada função em níveis de risco A, B, C, D e E, tais riscos são descritos de acordo com a gravidade do evento. O FHA envolve análises contidas em outros sistemas de avaliação de segurança como o PSSA (do termo em inglês “Preliminary System Safety Assessment”) e o SSA (do termo em inglês “System Safety Assessment”). A Figura 1 apresenta o organograma do processo de engenharia envolvido na classificação de riscos e análises de segurança para projetos de sistemas. Figura 1 - Organograma das fases e processos envolvidos na avaliação de segurança de um sistema. Com a avaliação do FHA os efeitos SEE não seriam considerados explicitamente, pois nessa etapa não são avaliadas as origens das falhas funcionais, mas sim a gravidade das suas potenciais consequências. Ou seja, a avaliação FHA é mais preliminar e não envolve as possíveis falhas devido a SEE. Na avaliação PSSA os efeitos oriundos da interação da radiação ionizante são considerados no sistema uma vez que os mesmos podem induzir modos de falha. Na avaliação PSSA os efeitos SEE são separados entre falhas graves ou leves e separadas devido à fase de voo, uma vez que durante o cruzeiro a probabilidade de SEE é maior do que durante a decolagem e pouso (devido à maior altitude e, consequentemente, maior incidência da radiação). A Figura 2 apresenta o processo da fase PSSA que inclui os efeitos de evento único. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 152 Figura 2 - Descrição da fase de projeto PSSA. Para a avaliação de dispositivos aviônicos, o fluxo integrado de nêutrons em altitudes de aeronaves, obtido por meio da integração do fluxo diferencial para energias superiores a 10 MeV, é de aproximadamente 5600 n/cm² por hora, sendo que utiliza-se arredondar esse valor para 6000 n/cm² por hora a 12,2 km de altitude (40000 pés) e a 45° de latitude, dados estes, típicos de envelope de voo de aeronaves comerciais [5]. A variação do fluxo de nêutrons com a altitude é demonstrada a partir dos modelos simplificados da Boeing e da NASA. A Figura Erro! Fonte de referência não encontrada.3 apresenta o espectro de nêutrons a uma altitude de cerca de 40000 pés (12,2 km). Figura 3 - Espectro de Energia de nêutrons atmosféricos a 40 000 pés (12.160 m), latitude 45 graus. (adaptado de IEC/TS 62396, 2006). Existem poucas instalações capazes de realizar testes de tolerância à radiação em dispositivos II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 153 aviônicos e que detém o conhecimento para aplicação e utilização de feixes de prótons ou nêutrons para tal finalidade, no mundo. A Figura 4 apresenta o Mapa Mundi com a visualização da localização das instalações de nêutrons identificadas durante a pesquisa. Dentre estas, as mais convenientes e aceitas para testes de sistemas aviônicos são a ICE House (EUA) e TRIUMF (Canadá), devido à similaridade do campo produzido em relação ao campo existente em altitudes de voo de aeronaves. Figura 4 – Mapa Mundi com a localização das instalações de nêutrons. Com o objetivo de estudar a metodologia para teste de SEE produzidos por nêutrons em aviônicos, uma memória comercial SRAM de 4 Mbits de tecnologia 130 nm foi submetida a teste com um fluxo de nêutrons de rápidos estimado em 1,778x10³ n/cm²·s, oriundo de um conjunto de fontes de nêutrons de 241Am-Be. A memória utilizada é de uso geral em equipamentos eletrônicos não sendo, portanto, especifica para aviônicos, porém o teste visa demonstrar uma metodologia para estimar a taxa SEE devido a nêutrons atmosféricos na microeletrônica aviônica, baseada em ensaios laboratoriais. Dispositivos de mesma tecnologia, porém atendendo a especificações para uso em aviônicos, podem ser submetidos aos mesmos testes de radiação já desenvolvidos no Laboratório de Radiação Ionizante (LRI) no IEAv para uso espacial, com os devidos ajustes na montagem do dispositivo de teste (DUT). Para testes em aviônicos deve-se estabelecer um critério para estrapolação da faixa de energia do teste para a faixa de energia de interesse para atender os requisitos estabelecidos em norma da IEC. A plataforma de teste foi construída no IEAv [6] e consiste em montar o dispositivo de interesse em uma placa filha, que por sua vez, está conectada a placa mãe, que é controlada por um processador de sinal digital tipo “Blackfin”. Este processador tem a função de efetuar a leitura, escrita e controle da memória que está sob irradiação. Os dados são adquiridos por meio de um software dedicado rodando em um computador externo ligado à placa mãe via TCP/IP para o controle remoto do experimento. O objetivo do teste é verificar a ocorrência de bit flips, que é a mudança do registro lógico da memória. Periodicamente a leitura dos valores foi realizada e a cada ciclo de leitura os endereços que apresentam alguma mudança de bit (bit flip) são armazenados em um arquivo de registro [6]. A Figura 5 apresenta o arranjo do experimento. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 154 Figura 5 – Arranjo do experimento Resultados e Discussão A propagação de nêutrons no arranjo foi simulada utilizando-se o método de Monte Carlo, por meio do código MCNP5. A Figura 6 apresenta o modelamento computacional do arranjo do experimento e o espectro simulado no local do dispositivo sob teste (DUT), onde se pode observar a presença de nêutrons com energias maiores do que 1x104 MeV (nêutrons rápidos) e a inexistência de nêutrons térmicos. Taxa de fluência (n/cm2s) 10 1 0.1 0.01 1E-3 1E-5 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 10 100 Energia (MeV) Figura 6 – Modelamento computacional (à esquerda) e espectro de energia dos nêutrons incidentes no DUT (à direita). Os resultados do teste são apresentados na Tabela 1. A seção de choque do dispositivo foi calculada a partir da equação 1, onde n é o número de bit flip e é a fluência total de nêutrons (nêutrons/cm²), que foi calculada pelo produto do fluxo de nêutrons pelo tempo de irradiação. Os erros indicados na seção de choque são somente de natureza estatística considerando-se uma distribuição de Poisson, onde a incerteza é igual a raiz quadrada do número de eventos contados. O valor final da seção de choque foi calculado a partir da média ponderada pelo inverso do quadrado dos erros das seis séries de medidas n 1 Tabela 1. Resultados dos testes obtidos em uma memória SRAM Seção de choque e incerteza Tempo de Irradiação (s) Quantidade de bit flip estatística x10-09 cm² 889254 61 38,6 ± 4,9 621081 59 53,4 ± 6,9 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 155 Tempo de Irradiação (s) Quantidade de bit flip 514974 94314 163754 652062 32 11 7 87 Seção de choque e incerteza estatística x10-09 cm² Média 34,9 ± 6,1 65,6 ± 1,9 24,0 ± 9,1 75,0 ± 8,1 44,2 ± 1,5 Partindo da seção de choque obtida no teste, pode-se estimar a taxa esperada de SEE multiplicando o fluxo de nêutrons atmosféricos em altitude de voo dado em n/cm²·h pela seção de choque de SEE do dispositivo dada em cm²/dispositivo, resultando em 2,65x10-4 n/dispositivo·hora, ou ainda, 26,5 eventos de SEE em toda a vida de uma suposta aeronave onde esta memória seja utilizada. Este teste possui caráter didático e acadêmico, pois não atende os requisitos de testes definidos em norma devido ao espectro de nêutrons no arranjo utilizado estender-se por faixas de energias que não são de interesse para aplicação aeronáutica (especial interesse em energias maiores do que 10 MeV) e ainda pelo fato de que o espectro ainda está sendo caracterizado no presente momento. Conclusões Este trabalho permitiu o estudo da metodologia para se efetuar testes de SEE voltados para a avaliação de circuitos aviônicos, metodologia esta que será aperfeiçoada e testada utilizandose outras fontes de radiação com diferentes energias e fluências, em outras instalações. Foram identificadas as principais normas e publicações na área e ressalta-se a crescente importância que este assunto tem recebido na área de segurança de voo civil e militar, assunto de grande interesse para grupos no Brasil. Agradecimentos Ao CNPQ pela bolsa PIBIC, ao IEAv pela oportunidade e conhecimento. Referências [1] DYER, C. Space Weather Effects on Spacecraft and Aircraft. In: SPACE WEATHER WORKSHOP: LOOKJING TOWARDS A EUROPEAN SPACE WEATHER PROGRAMME, DECEMBER 17-19, 2001, Noordwijk, Holand. Proceedings. Holand: 2001 [2] NORMAND, E. Single Event Effects in Avionics and on the ground. Int. J. High Speed Elect. Syst., v.14, n. 2, pp. 285 – 298, 2004. [3] VUKOVI’C, B., et al. Measurements of Neutron Radiation in Aircraft. Applied Radiation and Isotopes, v. 68, pp. 2398 – 2402, 2010. [4] SANNIKOV, A. V. Single Event Upsets in Semiconductor Devices Induced by Highly Ionising Particle. Radiation Protection Dosimetry, v. 110, n. 1-4, pp. 399 – 403, 2004. [5] IEC, INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION – TECHNICAL SPECIFICATION. Process Management for avionics: Atmospheric Radiation Effects, IEC/TS 62396. Switzerland, 2006. [6] GONÇALEZ, O.L., et al. Qualification of Electronic components with respect to the cosmic radiation tolerance for space applications. Anais Workshop Anual Sobre os Efeitos das Radiações Ionizantes em Componentes Eletrônicos e Fotônicos de Uso Aeroespacial, São José dos Campos, SP, v. 1, p. 51 – 56, 2012. Art.28 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.151-156, 2013 156 SISTEMAS CERÂMICOS FERROELÉTRICOS ISENTOS DE CHUMBO KSN – CuO: MICROESTRUTURA, PROPRIEDADES ÓPTICAS E APLICAÇÃO D. C. Vieira1; J. A. S. Medeiros1; A. C. C. Migliano2; S. A. Lourenço1 Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Departamento de Engenharia de Materiais, Londrina – PR 2 Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: nanoestruturas, sinterização fase líquida reativa, espectroscopia UV-vis, cerâmicas TTB Introdução Diversas pesquisas são desenvolvidas com materiais ferroelétricos e essas pesquisas são motivadas em função das propriedades relevantes desses materiais, por exemplo, piezeletricidade, piroeletricidade, propriedades ópticas [1, 2, 3]. Sistemas a base do óxido zirconato titanato de chumbo (PZT) são os materiais cerâmicos piezelétricos comerciais mais utilizados, pois apresentam excelentes propriedades [1]. A única desvantagem desses materiais é o alto grau de toxidade (compostos a base de chumbo), isso justifica a medida adotada em 2003 pela União Europeia que incluiu em sua legislação restrições ao uso dos sistemas PZT, os quais deverão ser substituídos por materiais isentos de chumbo. Esta diretriz deve ser seguida por todos os países, pois as leis ambientais atuais deverão seguir as mesmas metas imposta pela União Europeia. Assim, desde a década de 70 há um crescimento exponencial no desenvolvimento de novos materiais ferroelétricos isentos de chumbo em função dessas exigências das leis ambientais por materiais mais seguros [2, 3, 4, 5]. Os óxidos ferroelétricos isentos de chumbo pertencentes ao grupo de família com estrutura tetragonal tungstênio bronze (TTB) são bastante investigados nos dias de hoje, pois estrutura TTB permitem a inserção de diversos íons na rede cristalina sem ocorrer a perda de ferroeletricidade, portanto materiais ferroelétricos clássicos ou do tipo relaxor podem ser desenvolvidos a partir desse tipo de estrutura devido à natureza aberta dessa estrutura [4, 5]. Ainda, é considerada uma estrutura ideal para fabricação de materiais multiferróicos, ou seja, aqueles materiais que apresentam ferroeletricidade e ferromagnetismo simultaneamente [6]. O óxido niobato de estrôncio e potássio (KSr2Nb5O15), denominado KSN, é um material ferroelétrico com estrutura TTB e a literatura reporta que esse óxido apresenta baixa sinterabilidade por metodologia convencional de fabricação de materiais cerâmicos [7]. Assim, o escopo desta pesquisa consiste no desenvolvimento de materiais cerâmicos ferroelétricos isentos de chumbo fabricados a partir da matriz do óxido KSN modificados com óxido de cobre II, ou seja, obtenção de materiais alternativos aos materiais ferroelétricos comerciais denominados PZT. Os materiais cerâmicos ferroelétricos investigados nesta pesquisa foram obtidos por sinterização convencional (mistura de óxidos) e para obtenção de materiais com densidade alta, o princípio de sinterização fase líquida reativa foi explorado. O objetivo deste trabalho consistiu na investigação das propriedades ópticas dos sistemas cerâmicos KSN – CuO e buscou-se correlacionar os resultados de propriedade ópticas com os resultados microestruturais MEV, MO e AFM desses sistemas cerâmicos ferroelétricos. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 157 Metodologia De uma forma sucinta o processo de fabricação dos materiais cerâmicos pode ser descrito da seguinte forma: os pós foram pesados de acordo com estequiometria do óxido KSN e moídos em um moinho de alta energia do tipo atritor. A calcinação da fase KSN foi realizada em duas etapas: aquecimento desde a temperatura ambiente até 350 °C, com uma taxa de aquecimento de 15 °C min -1 e patamar de 120 min, em seguida aquecimento com taxa de 20 °C min -1 até 1200 °C por 600 min. O processo de calcinação foi realizado em atmosfera de oxigênio e desaglomerados em almofariz. Pastilhas (10,00 x 1,91 mm) dos pós da fase cerâmica com adição CuO (% em massa) foram conformadas em prensa uniaxial a 62 MPa e o processo de sinterização foi investigado na faixa de 900 até 1200 °C, sem pressão, em atmosfera não controlada. A metodologia detalhada do processo de fabricação dos sistemas cerâmicos encontra-se em Vieira, D. C & Migliano, A. C. C., 2010 [8] A microestrutura foi investigada utilizando um microscópio eletrônico de varredura modelo DSM 940A – Zeiss. As propriedades ópticas foram investigadas por espectrofotometria de UV-vis utilizando um espectrofotômetro modelo DR 5000™ na faixa 190 até 1100 nm. Os espectrogramas foram normalizados em função da espessura das amostras cerâmicas. Resultados e Discussão A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos dos estudos de sinterização, os parâmetros massa seca (ms), massa úmida (mu), massa imersa (mi), densidade aparente (a), densidade mássica, porosidade aberta () e porosidade fechada () foram calculados de acordo com o princípio de Arquimedes. Esses resultados de sinterização mostraram que a cerâmica KSN apresenta uma percentagem de porosidade aberta muito alta quando comparada com os sistemas cerâmicos KSN – CuO. Os materiais cerâmicos dopado com 0,5 % de CuO apresenta uma quantidade mínima de poros fechados e a cerâmica KSN e cerâmica KSN dopada com 1,0 de CuO apresentam a mesma quantidade de porosidade fechada. Outros estudos desenvolvidos neste projeto de pesquisa mostraram que a cerâmica KSN sinterizada em 1200 ºC apresenta uma baixa sinterabilidade, enquanto que os sistemas cerâmicos KSN – CuO apresentam alta densidade quando sinterizados em 1100 e 1200 ºC. Constatou-se também que ocorre densificação para os sistemas cerâmicos KSN – CuO mesmo quando sinterizados em 900 ºC. Os resultados de sinterização indicam que os mecanismos de densificação são distintos e há uma forte influência do óxido de cobre II nos mecanismos de densificação e/ou formação de defeitos distintos na rede cristalina [3]. Tabela 1. Materiais cerâmicos sinterizados a 1200 ºC. Materiais Ms(g) mU(g) Mi(g) a(g/cm3) m(g/cm3) aberta (%) fechada (%) KSN 0,6706 0,7150 0,5374 5,03 3,78 25,00 1,10 KSN + 0,5% Cu 0,6896 0,7055 0,5511 4,98 4,47 10,30 0,02 KSN + 1,0% Cu 0,6789 0,6899 0,5412 4,93 4,60 7,40 1,00 As micrografias MEV da cerâmica KSN revelaram uma microestrutura típica de estágio intermediário de sinterização. Enquanto que os sistemas cerâmicos KSN – CuO desenvolveram microestruturas distinta em função tanto do teor de óxido de cobre II quanto da temperatura do processo de sinterização. As micrografias MEV dos sistemas cerâmicos II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 158 KSN dopado com 0,5 % CuO (Figura 1a e 1b) mostraram maior quantidade de fases secundárias nucleadas junto aos contornos de grão em relação aos sistemas cerâmicos KSN dopados com 1,0 % CuO (dado não apresentado). As características microestruturais relevantes desses materiais: formação de grãos lamelares marcados com círculos tracejados, grãos do tipo macra (twins) marcados com uma flecha preta e fase distinta formada nos contornos de grãos marcada com uma flecha branca estão apresentados na Figura 1b. A diferença nas microestruturas formadas foi atribuída de forma fundamental ao processo de oxidação – redução do óxido de cobre II que ocorre durante o processo de sinterização [3,9]. As imagens AFM dos sistemas cerâmicos KSN - CuO revelaram a formação de nanoestruturas e alguns grãos apresentam estruturas regulares, grãos twins, grãos lamelares também foram observados (dados não apresentados). Grãos do tipo lamelares são atribuídos a formação de domínios ferroelétricos [10,11]. Resultados de microscopia óptica por luz polarizada (dados não apresentados) mostraram que a cerâmica KSN e os sistemas cerâmicos KSN – CuO são constituídos de várias fases, pois na microestrutura se observa uma matriz na qual tem grãos muito grandes incrustados nessa matriz e a formação de nanofases esféricas distribuída por toda a matriz. Sendo que nos grãos incrustados observa essas nanofases em menores quantidades quando comparada com as regiões de contorno de grãos e da própria matriz. Um aspecto interessante é que superfície plasmônica são oscilações coerentes de elétrons de condução sobre uma superfície metálica excitada por radiação eletromagnética a interface dielétrico – metal [12]. Portanto, se essas partículas esféricas forem de metal e/ou ligas metálicas, pode-se vislumbrar que esses materiais apresentam características de superfície plasmônicas (surface plasmon). (a) (b) Figura 1. Micrografia MEV do sistema cerâmico KSN dopado com 0,5% CuO. (a) 500x e (b) 5000x Ainda, materiais com microestruturas complexas são características dos materiais ferroelétricos do tipo relaxor, exemplo desta classe é o titanato zirconato de chumbo (PZT), os sistemas ferroelétrico comerciais mais utilizados são fundamentos nos PZTs [10]. A espectroscopia de UV - Vis fundamenta-se nas transições eletrônicas que ocorrem da interação da radiação eletromagnética com a matéria. Ou seja, da absorção da radiação ultravioleta ou visível que excita os elétrons da molécula dando origem às transições eletrônicas do estado fundamental para estados de mais alta energia (estado excitado). Os espectros de absorção ópticos é o registro da intensidade de luz absorvida em função do comprimento de onda. Em geral, em vez da intensidade de luz absorvida, se registra o logaritmo da relação entre a intensidade da luz incidente (Io) e a intensidade da luz transmitida (I), essa grandeza é chamada de absorbância ou densidade óptica. A Figura 2 apresenta os espectros de absorção da cerâmica KSN e dos sistemas cerâmicos KSN - CuO, nos quais as seguintes características são observadas: (i) uma banda entre 830 – II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 159 983 nm (região III) e essa banda é muito mais proeminente para os materiais cerâmicos modificados com óxido de cobre II, (ii) dois picos anômalos em 470 e 684 nm (região II), não claros até o momento. Não houve mudanças nas posições desses picos em função do teor de CuO, porém observa-se uma mudança nos seus formatos em função do teor de CuO e (iii) observa-se mudanças na região do ultravioleta (região I) e na região do infravermelho (região IV). Em outro estudo por espectroscopia no infravermelho (FTIR) realizado por outros pesquisadores apontaram que a banda de absorção referente aos niobatos abaixo de 432 cm-1 devida à deformação das ligações O-Nb-O, sendo que esta banda é fortemente ligada aos estiramentos da ligação M-O e da deformação da ligação M-O-M; sendo M um metal qualquer[13]. Ainda, é conhecido da literatura que íons cobre (Cu2+), frequentemente apresenta uma banda de absorção larga na região ente 600 – 800 nm [14]. Os metais de transição são caracterizados por terem cincos orbitais d parcialmente preenchidos, cada orbital é capaz de acomodar um par de elétrons e as características espectrais dos metais de transição envolvem os vários níveis de energia deste orbital. A inserção de íons cobre na matriz KSN é clara, pois há uma mudança notável nas cores desses sistemas cerâmico KSN – CuO [9], os resultados de espectroscopia de UV – Vis (ainda que preliminar) permitiram inferir que íons cobre estão presentes matriz KSN (Cu2+, Cu1+ ou a forma mais rara, Cu3+) e provavelmente ocupam o sitio octaedral do íon nióbio com a formação da ligação Cu-O-Cu. Outra característica bastante relevante desses sistemas cerâmicos, pois um dos requisitos para obtenção de materiais ferroelétricos do tipo relaxor é a ocupação de mais de um íon em um mesmo sítio da rede cristalina [5]. Região II região I Região III IV Absorbância (u.a.) (a) (b) (c) (a) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1200 °C (b) Sistema cerâmico KSNsinterizado a 1200 °C (c) Sistema cerâmico KSN - 0,5 % CuO sinterizado a 1200 °C 200 400 600 800 1000 Comprimento de onda (nm) Figura 3. Espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN – CuO. A Figura 2 apresenta os espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN dopada com 1,0% de CuO e sinterizados em 1100 e 1200 °C. As características observadas são: (i) mudanças nos pico em 470 e 684 nm em relação ao formato e (ii) na região do ultravioleta observou um pico em 328 nm para a cerâmica dopada com CuO e sinterizada em 1100 °C, o qual não é observado para cerâmica KSN ou para cerâmica KSN dopada com 1,0 CuO sinterizada em 1200 °C. Todos os espectros de absorção são similares, assegurando assim que as características estruturais dos materiais TTB se mantem e estão de acordo com resultados obtidos por difratometria de raios – X e espectroscopia Raman. Estudos por espectrofotometria de UV-Vis - Near FTIR estão em andamento. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 160 Absorbância (u.a) (b) (a) (c) (a) Cerâmica KSN sinterizada a 1200 °C. (a) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1100 °C. (b) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1200 °C. 200 400 600 800 1000 Comprimento de onda (nm) Figura 3. Espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN – CuO. Os resultados de espectroscopia de UV-Vis mostraram que o teor de óxido de cobre II tem influência nas propriedades ópticas dos sistemas cerâmicos KSN – CuO, pois o teor de óxido de cobre II introduz modificações nos espectros de absorção e também a temperatura do processo de sinterização introduz modificações nos espectros de absorção. Esses resultados corroboram que esses materiais pertencem a uma classe nova de materiais ferroelétricos isentos de chumbo. Portanto, novos estudos por espectroscopia de fotoelétrons (XPS), determinação das propriedades dielétricas e das propriedades de piezeletricidade deverão ser realizados para uma compreensão detalhada das microestruturas resultantes em função do teor de óxido de cobre II, podendo então definir aplicações específicas dessa nova classe de materiais ferroelétricos isentos de chumbo KSN – CuO. Conclusões Os resultados estruturais de UV-Vis permitem inferir que a estrutura cristalina da fase KSN se mantém nos sistemas cerâmicos KSN – CuO. As caracterizações microestrutural apontam que esses materiais apresentam características de materiais ferroelétricos do tipo relaxor e são candidatos promissores para substituírem os materiais ferroelétricos comerciais à base do óxido titanato zirconato de chumbo (PZT). Vislumbra-se que esses materiais apresentam características de superfície plasmônica (surface plasmonic materials) e poderão ser utilizados na área de telecomunicações. Por fim, esses sistemas cerâmicos KSN – CuO apresentam vantagem social e econômica, pois são materiais que estão em concordância com as leis ambientais e o processo de fabricação desses sistemas cerâmicos é simples e barato, permitindo então a transferência dessa tecnologia para o setor industrial. Ainda, essa pesquisa busca a compreensão de fenômenos relacionados na área de materiais cerâmicos nanoestruturados. Agradecimentos À FAPESP, bolsa de pós-doutoramento – projeto 03/05827-9; ao Departamento de Física, Química e Biologia (DFQB) da UNESP de Presidente Prudente, SP, no período de 2003 a 207 pelo uso da infraestrutura, ao IEAv, Divisão de Física Aplicada – Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos pelo uso da infraestrutura no período de 2008 a 2011, à DIRPPG da UTFPR campus Londrina, PR, pelo apoio financeiro recebido e à fundação Araucária pela bolsa PIBIC concedida. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 161 Referências [1] RODEL, J.; JO, W; SEIFERT, K. T. P.; ANTON, E. M. E GRANZOW, Perspective on the development of lead –free piezoceramics, T.; J. AM. Ceram. Soc., 92, p. 1551 – 2916, 2009. [2] VIEIRA, D. C.; CARDOSO; C. X.; DURAN, R. M.; Análises térmicas e processo de sinterização da cerâmica KSr2Nb5O15 dopada com CuO, Química Nova, 32, p. 1704-1709, 2009. [3] SMITH, M. B.; PAGE, K.; SIEGRIST, T.; REDMOND, P. L.; Crystal structure and the paraelectric to ferroelectric phase transition of nanoscale BaTiO3, Journal American Chemical Society, v. 130. p.6955 – 6963, 2008. [4] BELGHITI, H. E; SIMON, A., A.; GRAVEREAU, P.; VILESUZANNE, A.; ELAATMANI, M.; RAVEZ, J.; Ferroelectric and crystallographic properties of the Sr2 – xK1+xNb5)15 –xFx solid solution, J. Solid State Sci, 4, p. 933 – 940, 2002. [5] SIMON, A.; RAVEZ. J;. Solid-state chemistry and non-linear properties of tetragonal tungsten bronzes materials, C. R. Chimie, v. 9, p. 1268 – 1276, 2008. [6] JOSSE, M., BIDOULT, O., ELISSALDE, C., MICHAU, D., SIMON, A., MUHLL, R., MAGLIONE, M., Crystal – Chemistry design of new single- phase multiferroics, 23rd European Crystallographic Meeting, ECM 23, Leuven, 2006. [7] TRIBOTTÉ, B.; DESGARDIN, G.; Reaction between the tetragonal tungsten bronze niobate K2Sr4Nb10O30 and the peroviskite Pb(Mg 1/3Nb2/3))3, Materials Science and Engineering B v. 40, p. 127 – 139, 1996. [8] VIEIRA, D. C.; MIGLIANO, A. C. C.; Cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido de niobato de estrôncio e potássio com inserção de íons cobre e processo otimizado de fabricação de cerâmicas nanoetruturadas, PI1002803-0, 2010 [9] VIEIRA, D. C., BALAN, A. M. O. A.; CARDOSO, C. X.; Evolução microestrutural da cerâmica KSr2Nb5O15 dopada com razão CuO:B2O3, Cerâmica, v. 55, p. 128 -134, 2009. 10] FANG, F; YANG, W.; E ZHU, T.; Crak tip 90 º domain seitching in tetragonal lanthanum- modified lead zirconate titanate undr an electric field, J. Mater. Res., p. 7, 1999. [11] TAFFNER, U.; CARLE, V.; SCHAFER, U.; HOFFMANN, M. J.; Preparation and microstructural Analysis of high – Performance Ceramics, ASM International, v. 9 Methallography and microstructures. [12] STEWART, M. E.; ADERTON, C. R.; THOMPSON, L. B.; MARIA, J.; GRAY, S. K.; Nanostructured plasmonic sensors, Chemical reviews, v. 108, n. 2, p.494 – 521, 2008. [13] ZHAO, J. P., LIU, X. R., QUIANG, L.S., Characteristics of the precursor and their thermal decomposition during the preparation thin films by the Pechini Method, Thin solids films, v. 515, p.1455-1460, 2006 [14] SKOOG, A. D., Principles of instrumental analysis. 5 ed. Orlando. 1998, 338p. Art.29 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.157-162, 2013 162 MAPEAMENTO DE ESPÉCIES QUIMIOLUMINECENTES PARA APLICAÇÃO EM TÚNEIS DE CHOQUE HIPERSÔNICOS 1 L. M. Vialta1*; D. Carinhana Jr. 2 Universidade Estadual de Campinas – Instituto de Química, Campinas – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: chamas, espectroscopia, combustão, hipervelocidade. Introdução O voo hipersônico tem despertado grande interesse tanto acadêmico como tecnológico. Novos veículos têm sido desenvolvidos com velocidades de cruzeiro de até dezenas de números de Mach [1]. Esses valores são alcançados com a utilização de motores “scramjet”, acrônimo de “supersonic combustion ramjet”, ou estato-reator de combustão supersônica. Os motores scramjet pertencem a uma classe de motores de combustão aspirada cuja principal característica é dispensar o uso de oxidante embarcado, o que resulta em um aumento considerável de sua carga útil [2-4]. Em geral, o Hidrogênio tem sido empregado como propelente, devido a seu elevado impulso especifico. Entretanto, hidrocarbonetos como o querosene também tem sido utilizado na operação dos motores à combustão supersônica. Em ambos os casos, espécies intermediárias da combustão apresentam forte intensidade de emissão natural na região do espectro visível e do ultravioleta próximo. Essas espécies podem ser utilizadas como sondas não-intrusivas na determinação de parâmetros como a temperatura e velocidade dos processos de combustão [5]. Nesse trabalho, foi estudada a emissão natural de chamas de GLP, Gás Liquefeito de Petróleo, por meio de imagens bidimensionais, com vistas ao emprego da técnica na caracterização da combustão supersônica produzida no interior dos túneis de choque existentes no IEAv. Metodologia As chamas investigadas foram obtidas a partir de um queimador do tipo pré-misturado operando em regime atmosférico, comumente conhecido como bico de Bunsen, utilizando GLP como combustível. O sinal de emissão natural foi registrado por uma câmera CCD intensificada. Um conjunto de filtros espectrais foi utilizado na identificação das espécies presentes na chama, de acordo com a Tabela 1. Um esquema do arranjo experimental utilizado é mostrado na Figura 1. Tabela 1. Correspondência entre as espécies intermediárias e os filtros ópticos utilizados. Espécies Intervalo espectral (nm) ± 5 nm C2* 510 OH* 310 CH* 430 1 Projeto: Projeto HIPERVEL - medida de velocidade em escoamentos hipersônicos. Convênio FINEP 01.11.0069.00. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.163-167, 2013 163 Figura 1. Esquema do arranjo experimental utilizado. A relação entre as imagens adquiridas e os objetos reais foi estabelecida posicionando-se uma régua atrás do queimador. As imagens da chama foram registradas variando-se o tempo de exposição desde 100 s até 5,0 ms, com acumulação de 50 a 1 imagem, respectivamente, e 50% de ganho no intensificador. Resultados e Discussão Na Figura 2 é mostrada a imagem do queimador e a região de referência utilizada nos experimentos. Foi determinada a proporção de 1mm para 20 pixels nas imagens obtidas. Esse valor foi obtido importando-se a figura em um programa de edição de imagens. Figura 2. Imagem do queimador e da régua utilizada como referência. Uma vez estabelecida a proporção pixel/cm, foi possível determinar a distribuição dos radicais ao longo da chama em função da distância do queimador. Um exemplo é mostrado na Figura 3, em que o radical OH* pode ser observado até uma altura de 4,10 cm acima do queimador. As cores indicadas nas imagens são ilustrativas e representam a concentração relativa dos radicais, sendo, em ordem crescente, azul, verde, vermelho e branco. O tempo de exposição foi de 100s, com acumulação de 50 imagens. Isso significa que a imagem final é resultado da média de 50 imagens obtidas pela chama. O uso desse recurso apresenta dupla função: melhorar a qualidade das imagens, ao eliminar variações naturais da chama, e evitar a saturação do intensificador da câmera, protegendo, assim, seus elementos sensores de eventuais danos causados pelo excesso de luz. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.163-167, 2013 164 Figura 3. Exemplo de determinação da distribuição de OH* na chama de GLP. A Figura 4 mostra as imagens obtidas das chamas com os demais filtros espectrais. A análise das imagens mostra a distribuição irregular de cada um dos radicais, sendo a espécie OH* aquela que apresenta maior dispersão ao longo da chama, chegando até a altura de 4,10 cm, seguido pelos radicais C2* e CH*, a uma altura de 1,72 cm e 1,50 cm respectivamente. Tal distribuição confirma resultados da literatura [6]. A despeito da diferença de distribuição, em todos os casos não foram visíveis diferenças apreciáveis entre as imagens de um mesmo radical, o que significa que a chama é estável, operando em regime estacionário, portanto. Como exemplo, considerando um total de 10 imagens, o desvio-padrão para o cálculo da altura do radical OH* foi de 0,01 cm. Na sequência, foram testadas a qualidade das imagens obtidas utilizando menores valores de acumulação, até se obter imagens com uma única exposição. Esse estudo visa adequar o uso da técnica em futuras aplicações nos túneis de choque, uma vez que o intervalo de aquisição entre as imagens pela câmera é superior ao tempo disponível na seção de testes, da ordem de alguns milissegundos. A Figura 5 mostra as imagens do radical OH* em diferentes tempos de exposição e número de imagens acumuladas, de tal forma que o tempo total de exposição foi da ordem de ca. 5 ms. A comparação entre as imagens mostra que, do ponto de vista qualitativo, não existe diferença apreciável entre os resultados obtidos, indicando que a resposta da câmera é equivalente nas situações investigadas. No entanto, para que a avaliação possa ser quantificada, está sendo estabelecido um método de integração baseado no arquivo matricial da intensidade fornecido pelo programa controlador da câmera, que contém a intensidade relativa atribuída a cada pixel do CCD. A Figura 6 mostra os passos preliminares do método, em que a chama é dividida em regiões arbitrárias de concentração relativa semelhante. Uma vez estabelecidas essas regiões, suas respectivas intensidades serão calculadas a partir dos dados contidos no arquivo matricial. Para a aplicação nos túneis, será necessário um estudo adicional de determinação do limiar de detecção da câmara, de modo que o tempo total de aquisição seja reduzido para a casa de 1 ms. No momento, estão sendo programados novos experimentos. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.163-167, 2013 165 Figura 4. Distribuição dos radicais nas chamas de bico de Bunsen. a) OH*,b), CH* e c) C2*. Figura 5. Imagens do radical OH* obtidas em diferentes tempo de exposição e acumulação. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.163-167, 2013 166 Figura 6. Exemplo de delimitação de regiões para a quantificação da intensidade relativa dos radicais. Imagem obtida com o uso do filtro do radical OH*. Conclusões Os resultados indicaram que os processos de combustão investigados podem ser estudados por meio da espectroscopia de emissão natural das espécies radicais intermediárias. As imagens obtidas com o uso de filtros espectrais do tipo “banda-fina” mostraram distribuições irregulares dos radicais OH*, C2* e CH*, confirmando resultados da literatura. Ao mesmo tempo, a obtenção sequencial de imagens mostrou que as chamas são estáveis, seguindo um regime estacionário. O estudo da variação dos tempos de exposição e de acumulação das imagens mostrou que a qualidade da obtenção de imagens com uma única exposição é equivalente às imagens obtidas a partir de imagens sequenciais. Esse comportamento da câmera indicou a possibilidade de uso do sistema nos experimentos envolvendo escoamentos hipersônicos, nos quais o tempo de teste é menor do que o intervalo necessário para a obtenção de duas imagens seguidas. Agradecimentos Os autores agradecem ao programa CNPq/PIBIC pela bolsa de Iniciação Científica e pela FINEP pelo financiamento parcial do projeto, convênio 01.11.0069.00. Referências [1] ANDERSON, J. D. Anderson. Modern Compressive Flow. 3ª ed. Nova Iorque: McGraw-Hill, 2003. [2] WEBER, J. R. e MAcKAY, J. An Analysis of Ramjet Engines Using Supersonic Combustion. NACA, TN 4386, 1958. [3] FERRI, A. Ferri, Review of Sramjet Technology. J. Aircraft, v. 5, p. 3-10, 1968. [4] SWITHENBANK J. Hypersonic air-breathing propulsion. Prog. Aeron. Sci., v. 8, p. 229294, 1966. [5] WOOKYUNG Kim ; Hyungrok Do ; Mungal, M.G. ; Cappelli, M.A. A Study of PlasmaStabilized Diffusion Flames at Elevated Ambient Temperature. IEEE Transactions on Plasma Science v. 36. n. 6. p. 2918-2923, 2008. [6] CARINHANA, D. Determinação de Temperaturas de Chamas por Espectroscopia de Emissão. Campinas, 2006. 129p. Tese de Doutorado – Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas. Art.30 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.163-167, 2013 167 SOFTWARE PARA CÁLCULO DO VALOR DA INFORMAÇÃO L. A. de Almeida1,2,*; H. A. Vieira1,2; J. J. de Farias Neto1 Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP 2 Divisão de Ciência da Computação, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP *[email protected] 1 Palavras-chave: Valor esperado da informação perfeita, árvores decisórias, redes bayesianas. Introdução A Teoria da Decisão visa à tomada de decisões racionais e consistentes em condições de aleatoriedade ou incerteza [1]. Neste contexto, pode ser interessante investir para eliminar incertezas antes de se tomar uma decisão. Por exemplo, caso uma empresa petrolífera pretenda furar um poço em busca de petróleo, é conveniente fazer um estudo a fim de determinar se a probabilidade de achar petróleo é alta antes de arcar com os gastos da perfuração. Assim, surge a questão: quanto vale a pena investir neste estudo? A fim de solucionar esta questão de maneira automatizada, o presente trabalho tem como objetivo desenvolver um pacote computacional para o cálculo do valor esperado da informação perfeita (VEIP) em árvores decisórias. Ao contrário dos pacotes comerciais disponíveis, que só automatizam esse cálculo para diagramas de influência, o nosso o faz para árvores detalhadas e permite que se associe uma rede bayesiana a cada nó aleatório, de modo a se relacionar as probabilidades dos seus ramos a outras variáveis. Metodologia O software foi desenvolvido em JAVA, utilizando a IDE NetBeans [2] e o sistema de controle de versão Subversion [3]. Foram desenvolvidos dois módulos separadamente: o primeiro responsável por calcular o VEIP de uma árvore decisória com os nós aleatórios já estabelecidos, e o segundo responsável por associar uma rede bayesiana a cada nó aleatório. O módulo relativo ao cálculo do VEIP pode ser dividido na construção da interface gráfica e do algoritmo, propriamente dito. A interface gráfica foi implementada com auxílio da biblioteca JGraphx [4], que disponibiliza ferramentas automáticas para construção e visualização de grafos. O algoritmo foi construído utilizando conhecimentos a respeito de estruturas de dados e percursos em árvores, para solucionar a expressão do cálculo do VEIP: (1) sendo r o conjunto de todos os nós aleatórios da árvore, ri o conjunto de nós aleatórios selecionados para cálculo do valor da informação e x o conjunto de nós decisórios. Este módulo foi feito de forma que permitisse também a elaboração descentralizada da árvore. Neste caso, pode-se criar sub-árvores que serão agregadas à estrutura geral. Esta proposta é interessante quando se trabalha com sistemas complexos como algumas aplicações da Força Aérea, pois cada organização poderia criar sua sub-árvore e a direção geral as acoplaria facilmente à árvore global. Já o módulo relativo às redes bayesianas tem o objetivo de relacionar os valores de probabilidades utilizados nos nós aleatórios com variáveis do mundo real. O projeto UnBBayes [5] foi utilizado para apoiá-lo, como parte principal da construção, visualização, II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.168-172, 2013 168 edição e compilação das redes bayesianas, bem como da integração destas com a árvore decisória. Resultados e Discussão Este projeto encontra-se em fase inicial de desenvolvimento e serão apresentados os resultados da primeira versão do software, com os dois módulos já integrados e uma interface amigável com o usuário. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam algumas telas da versão atual do software. A tela da Figura 1 apresenta a árvore decisória proposta em [6], utilizando a convenção de representar nós decisórios por retângulos, nós aleatórios por círculos e nós de utilidade por hexágonos. Figura 1: Criação da árvore proposta em [6]. Na Figura 2, mostra-se a tela de criação e edição de redes bayesianas que é exibida ao selecionar o item “Rede Bayesiana” no menu superior (Figura 1). Figura 2: Criação da rede bayesiana para associar a um nó aleatório. Para obter o VEIP, devem-se seguir os seguintes passos: inicialmente, o usuário deve selecionar o item “Análise” no menu superior da Figura 1 e, em seguida, escolher a opção “VEIP”. Neste momento, uma nova tela surgirá na aplicação para seleção dos parâmetros. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.168-172, 2013 169 Nesta tela, o usuário deve escolher um conjunto de nós aleatórios e um único nó decisório, de forma que, ao apertar o botão “Calcular VEIP”, o software retornará o resultado. A Figura 3 apresenta os parâmetros para calculo do VEIP da árvore descrita na Figura 1. Neste exemplo, o resultado significa que vale a pena pagar até 0,5 (unidades monetárias) para um especialista eliminar as incertezas em relação aos nós aleatórios 4 e 14 antes de se tomar a decisão do nó 2. Figura 3: Seleção dos parâmetros para cálculo do VEIP. Para avaliar a performance deste software, considerou-se a relação entre o tamanho da árvore (número total de nós) e o tempo gasto na execução do algoritmo. A medida do tempo foi realizada em milissegundos1. Consideraram-se três exemplos de arvores de decisão: no primeiro caso, ilustrado na Figura 1, a árvore possui 1 nó decisório, 4 nós aleatórios e 13 nós de utilidade; no segundo caso, ilustrado na Figura 4, a árvore possui 3 nós decisórios, 14 nós aleatórios e 24 nós de utilidade; e, no terceiro caso, ilustrado na Figura 5, a árvore possui 4 nós decisórios, 18 nós aleatórios e 32 nós de utilidade. Figura 4: Árvore com 3 nós decisórios, 14 nós aleatórios e 24 nós de utilidade2. 1 A execução foi realizada em uma máquina Intel(R) Core(TM) i5-2450M CPU @ 2.50GHz, sistema operacional de 64 Bits e memória RAM de 6,00 GB. 2 VEIP calculado sobre dois nós aleatórios em relação ao nó decisório raiz. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.168-172, 2013 170 Figura 5: Árvore com 4 nós decisórios, 18 nós aleatórios e 32 nós de utilidade1. A tabela 1 apresenta os resultados obtidos nos três exemplos de árvores. Tabela 1: Comparação entre o tempo gasto no algoritmo para diferentes árvores. Árvore Número total de nós Tempo de execução (ms) Caso 1 13 0 Caso 2 41 265 Caso 3 54 27987 Pelos resultados obtidos, observa-se um grande aumento no tempo de execução ao se adicionar poucos nós à árvore decisão. Isto ocorre pois a complexidade do algoritmo não é polinomial. Melhorias nesse sentido podem surgir numa próxima fase do projeto, como, por exemplo, obter um cálculo aproximado do valor da informação eliminando alguns ramos estratégicos da árvore. Existem estudos semelhantes, em áreas específicas, como campos de petróleo [7]. Como trabalhos futuros, pretende-se acrescentar ao pacote computacional a capacidade de calcular o valor esperado da informação imperfeita (VEII) e de exibir a árvore construída sob um formato fractal, de modo a se poder representar casos de grande porte. Entre as possíveis utilizações do software no setor de defesa brasileiro, vislumbramos: 1. Representação gráfica e análise de cenários (Amazônia, Pré-Sal): a versão final permitirá a visualização fácil de árvores grandes, usando-se conceitos como o de grafos em espaço hiperbólico [8] e outros (a versão atual já facilita isso, através da diminuição automática do tamanho das sub-árvores, à medida que se afastam da raiz). 2. Avaliação de grandes empreendimentos usando o conceito de opções reais (satélites geoestacionários, Veículo Lançador de Satélites - VLS): o valor esperado do custo de grandes empreendimentos normalmente diminui, quando se inverte a árvore decisória (de modo que os nós aleatórios sejam considerados antes dos decisórios), porque geralmente é possível contratar especialistas que cobram menos do que o valor da informação daqueles nós; esse efeito também pode ser conseguido (e mensurado pelo nosso software) com a introdução de nós decisórios posteriores aos aleatórios em pontos estratégicos do desenvolvimento do empreendimento. 3. Análise de riscos (VLS): dada a escassez de dados históricos que permitam computar frequências (para estimar probabilidades) em cenários novos ou raros, tem-se usado cada vez mais redes bayesianas, para a análise de risco, pela sua facilidade de associar 1 VEIP calculado sobre dois nós aleatórios em relação ao nó decisório raiz. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.168-172, 2013 171 naturalmente probabilidades subjetivas (crenças de especialistas) e dados reais [9]; o módulo no nosso software que permite acoplar uma rede bayesiana a qualquer nó aleatório poderá ser usado com essa finalidade. 4. Priorização e alocação de recursos para pesquisas: pesquisas são feitas para obter informações; assim, valem tanto quanto estas últimas. Construindo-se a árvore decisória na qual se insere o nó aleatório cujas informações se desejam obter, pode-se estimar o valor da pesquisa e, portanto, saber quanto vale a pena investir nela. Comparando-se os valores de várias linhas de pesquisa, é possível estabelecer uma lista de priorização entre elas. Conclusões Com o presente trabalho alcança-se o objetivo de automatizar o cálculo do VEIP para árvores decisórias, bem como de integrar os nós aleatórios com redes bayesianas. O pacote desenvolvido apresenta uma interface amigável e de simples utilização. Verifica-se, porém, que a resolução de árvores de grande porte pode acarretar em um custo computacional elevado, devido à complexidade não polinomial do algoritmo, e melhorias são necessárias nesse sentido. Agradecimentos Agradecemos ao Everton Cândido de Souza Santos pelos conhecimentos compartilhados a respeito de pacotes gráficos da linguagem JAVA, que foram de grande utilidade no desenvolvimento do projeto. Referências [1] FREITAS, M. A. S. Análise de risco e incerteza na gestão hidroambiental. Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos. Porto Alegre, 2003. [2] NETBEANS IDE. Disponível em: https://netbeans.org/. Acesso em: maio de 2013. [3] Subversion (SVN). Disponível em: http://subversion.apache.org/. Acesso em: maio de 2013. [4] JGraphX. Disponível em: http://www.jgraph.com/ Acesso em: maio de 2013. [5] CARVALHO, Rommel Novaes. UnBBayes. Disponível em: http://unbbayes.sourceforge.net/index.html. Acesso em: maio de 2013. [6] FARIAS NETO, João José de . Investimento em defesa: quanto vale a pena aplicar?. XIV Simpósio de Aplicações Operacionais em Áreas de Defesa, 2012. CD-ROM p. 250-253. [7] XAVIER, Alexandre Monticuco. Análise do Valor da Informação na Avaliação e Desenvolvimento de Campos de Petróleo. Campinas, 2004. Dissertação de Mestrado – UNICAMP, 2004. [8] MUNZNER, Tâmara. Exploring Large Graphs in 3D Hyperbolic Space. IEEE Computer Graphics and Applications. Julho/agosto, 1998. p. 18-23. [9] Agena’s Bayesian Network Technology. Agena White Paper W0904/01, Version 01.00, 5 Sept 2004. Disponível em: http://www.agenarisk.com/resources/technology_articles/Agena_BN_Technology.pdf Acesso em: maio de 2013. Art.31 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.168-172, 2013 172 IMPLEMENTAÇÃO DO EFEITO DA NÃO-PARABOLICIDADE DA ENERGIA NA APROXIMAÇÃO DE MASSA EFETIVA DE MATERIAIS SEMICONDUTORES NO QWS1 1 R. Y. Tanaka1,2*; N. M. Abe1; A. Passaro1,2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: absorbância, nanoestruturas semicondutoras, poços quânticos, método dos elementos finitos. Introdução Nanoestruturas semicondutoras baseadas em poços, fios e pontos quânticos estão sendo utilizadas, atualmente, em diversos dispositivos eletrônicos tais como sensores de infravermelho [1], lasers [2] e células solares [3]. Neste último exemplo, há um grande número de publicações recentes focando a utilização de poços e pontos quânticos em fotocélulas com banda intermediária [4], um conceito promissor que futuramente poderá resultar em células solares com elevada eficiência [5]. Na área de fotodetectores de infravermelho, dispositivos baseados em poços quânticos já vem sendo utilizados, com sucesso, em sensores de uso espacial [6]. O foco hoje, encontra-se nos fotodetectores de infravermelho baseados em pontos quânticos que vem recebendo grande atenção por parte dos pesquisadores devido às vantagens teóricas desta em relação aos poços quânticos tais como a capacidade de absorção intersubbanda de fótons com qualquer direção de incidência e a baixa corrente de escuro devido ao confinamento tridimensional da função de onda do elétron [7]. O Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) do IEAv faz parte, junto com outras universidades e institutos de pesquisa, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Nanodispositivos Semicondutores (INCT-DISSE) criado em 2008 com o objetivo de desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos com ênfase em fotodetectores de infravermelho e dispositivos baseados em efeitos puramente quânticos. Dentro desse contexto, o LEV desenvolve ferramentas que permitem calcular propriedades e fenômenos de dispositivos que usam nanoestruturas baseadas em poços, fios e pontos quânticos [8] utilizando a aproximação de massa efetiva discutida acima. O módulo de cálculo básico utiliza o Método de Elementos Finitos (MEF). Diversos trabalhos já foram realizados utilizando estas ferramentas tais como uma otimização de múltiplos poços quânticos utilizando algoritmo genético [9] e o estudo de fenômenos físicos que ocorrem em múltiplos poços quânticos fracamente acoplados [10]. Dentre estas ferramentas, um software, denominado QWS, vem sendo desenvolvido no LEV e permite ao usuário, projetar e calcular características tais como corrente de escuro, fotocorrente e absorbância de nanoestruturas baseadas em poços quânticos. O QWS utiliza a aproximação de massa efetiva, um dos métodos mais utilizados para descrever o comportamento de elétrons e buracos em materiais semicondutores [11]. Para energias próximas ao mínimo da banda de condução ou ao máximo da banda de valência, a massa efetiva é aproximada por um escalar m* calculado por (1): 1 Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq nº. AEB 559908/2010-5. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 173 1 d 2E m 2 , dk * 2 (2) na qual ħ é a constante reduzida de Planck, E é a energia e k, o vetor de onda. Essa aproximação parabólica deixa de ser válida para energias muito acima do fundo da banda de condução ou muito abaixo do topo da banda de valência. Em alguns casos como, por exemplo, na absorbância de fotodetectores baseados em poços quânticos, é necessário calcular estados muito acima do mínimo da banda de condução. Neste caso, é preciso implementar uma correção devido à não-parabolicidade da banda de energia. Essa correção é incorporada na massa efetiva do material que passa a variar em função da energia. Este trabalho apresenta uma implementação da correção da massa efetiva, devido ao efeito da não-parabolicidade da banda de energia, no programa QWS. Formulação Matemática Usando a aproximação de massa efetiva, os estados confinados em nanoestruturas semicondutoras são calculados resolvendo-se a Eq. de Schrödinger independente do tempo, dada por: 2 1 * r V r r E r , 2 m r , E m0 (3) no qual, V é o potencial, é a função de onda, m0 é a massa do elétron em repouso e m* é a massa efetiva em função da energia, dependente da não-parabolicidade da banda, dada por (4) [12]: V r E m* r , E m* r 1 , E g r (4) na qual Eg é o "gap" do material semicondutor e depende do parâmetro de não-parabolicidade γ, calculada por: E g r 2 , 2m* r m0 r (5) Substituindo a massa efetiva (4) em (3) e aplicando a expansão em Série de Taylor na V r E expressão 1 E g r 1 com um truncamento de primeira ordem obtém-se: 2 1 * 2 m r m0 V r E 1 r V r r E r E g r (6) Manipulando algebricamente os termos da expressão tem-se, 2 1 2 V r * r * r V r r 2 m r m0 2 m r m0 E g r 2 1 E r * r 2 m r m0 E g r (7) Neste trabalho, o Método de Elementos Finitos é usado para resolver (7). Neste método. o domínio, é dividido em elementos de geometria simples, tais como linhas e curvas em II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 174 estudos unidimensionais, triângulos e retângulos em estudos bidimensionais e tetraedros e paralelepípedos em 3 dimensões. As variáveis dependentes e, quando necessário, suas derivadas, são calculadas nos chamados pontos nodais que, no caso mais simples, coincidem com os vértices dos elementos. No caso da Eq. de Schrödinger, a variável dependente é a função de onda. Dentro de cada elemento, , a função de onda é expandida em termos de um conjunto de funções de base, Ni: np N i i (8) i 1 na qual np é o número de pontos nodais do elemento e i é o valor da função de onda calculada em cada ponto nodal. Neste trabalho, assume-se que a massa efetiva e o potencial são constantes dentro de um elemento finito, mas que podem variar de um elemento para outro. Aplicando o Método de Resíduos Ponderados em (7) e, em seguida, aplicando a Técnica de Galerkin, na qual as funções peso no interior de cada elemento são escolhidas iguais às funções de interpolação utilizadas para descrever as variáveis de estado ( Pi N i ) obtém-se, para cada elemento : 2 * 2 m m0 N N d T T 2V * N N d T 2m m0 E g V N N d T T * T T (9) N N d E 2 N N d T E T T 2m m0 E g ou A B C T E D E , T (10) na qual A N N d 2 T * 2 m m0 B 2V * , N N d T 2m m0 E g N N d , D N N d , N N d C VT T (11) , (13) T (14) E 2 * T 2 m m0 E g (12) , (15) Metodologia O QWS é um programa multiplataforma escrito em linguagem C++ orientada a objeto que utiliza a biblioteca Qt para montar a interface com o usuário. O módulo de cálculo principal, que monta e resolve o sistema matricial de autovalores utilizando o Método de Elementos Finitos, apresentado na Seção de Formulação Matemática, foi construído tendo por base a biblioteca sdk-levsoft, também desenvolvida no LEV. Dois casos serão apresentados na seção de resultados. O primeiro caso é de um artigo publicado na Phys. Rev. B [12] que apresenta o efeito da não-parabolicidade em poços quânticos. O material do poço, de 200 Å, é de GaAs e as barreiras, de Al0,37Ga0,63As. O II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 175 parâmetro de não-parabolicidade, fornecido neste artigo para o GaAs é de 4,9x10–19 m2. O valor do parâmetro de não-parabolicidade para os outros materiais e ligas é calculada, a partir do valor para o GaAs, pela relação [12]: 1 m2* 2 m1* 2 (16) O outro caso refere-se a uma estrutura que foi projetada com o QWS para detectar radiações eletromagnéticas na faixa do infravermelho com comprimento de onda da ordem de 9,3 μm. Esta estrutura foi crescida e processada nos laboratórios do INCT-DISSE e é composta de poços de GaAs de 56,5 Å e barreiras de Al0,205Ga0,795As de 300 Å. O resultado comparado neste caso será o do espectro de absorbância experimental. No QWS a absorbância é calculada por [13]: 2D 1 exp E F En / k BT e 2 k BT / , f nn´ ln 2 2 2 0 c n,n´ 1 exp E F En ' / k BT En ' En (17) na qual n e n' são os índices do estado fundamental e do último estado confinado, respectivamente, EF é a Energia de Fermi, En é o valor da energia do n-ésimo estado, kB é a Constante de Boltzmann, T é a temperatura, ω é a freqüência angular, η é o índice de refração do material, Γ é o meio comprimento, meia altura (HWHM) de uma Lorentziana normalizada e fnn' é a força de oscilador dada por: 2 f nn´ 2 n i n ' . * m m0 En En ' (18) Resultados e Discussão Caso 1: poço de GaAs com 200 Å de largura e barreiras de Al0,37Ga0,63As. Os valores de energia dos estados confinados calculados pelo QWS com e sem a correção da massa efetiva devido à não-parabolicidade, comparada com os valores das energias apresentadas em [12] são mostradas na Tab. 1. Tabela 1. Energia dos cinco estados confinados no poço. Estado E1 E2 E3 E4 E5 QWS parabólico (eV) 0,01039 0,04154 0,09322 0,16463 0,25260 QWS não-parabólico (eV) 0,01055 0,04116 0,08886 0,14920 0,21672 Ref. [12] (eV) 0,01055 0,04111 0,08882 0,14974 0,21893 Os valores de energia calculados considerando a não-parabolicidade estão de bom acordo com os valores de energia apresentadas na referência. Analisando os valores da segunda coluna da Tab. 1, que contém as energias dos estados calculados pelo QWS sem a correção da nãoparabolicidade, observa-se que os valores de energia dos dois primeiros estados, próximos do mínimo da banda de condução, são pouco afetados pela não-parabolicidade da banda. Do terceiro estado em diante, mais distantes do mínimo da banda de condução, os valores de energia calculados já são bem diferentes dos valores da referência, indicando que a aproximação parabólica já não é mais válida para estes estados. Caso 2: poço de GaAs com 56,5 Å de largura e barreiras de Al0,205Ga0,795As. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 176 Absorbância (u.a.) A Fig. 1 mostra os espectros de absorbância experimental (linha contínua) e calculados (linhas tracejadas) para esta estrutura, que foi projetada e otimizada pelo QWS para um sensor de infravermelho na faixa de 9,3 μm. A curva tracejada com o símbolo de adição representa o espectro de absorbância calculada com as forças de oscilador das energias e funções de onda obtidas levando em consideração o efeito da não-parabolicidade da energia. A outra curva tracejada representa o espectro de absorbância calculada considerando a energia parabólica com o pico do espectro de absorção exatamente em 9,3 μm. O espectro de absorbância experimental localiza-se em torno de 9,8 μm. Observa-se que o pico do espectro calculado com a correção da não-parabolicidade coincide com o espectro experimental. Quando esta estrutura foi projetada a correção da nãoparabolicidade ainda não havia sido implementada no QWS. Comprimento de onda (m) Figura 1. Curvas do espectro de absorbância experimental (linha contínua) e computacional (linhas tracejadas). Conclusões A aproximação de massa efetiva é um dos métodos mais utilizados para descrever o comportamento de elétrons e buracos em materiais semicondutores. O modelo mais comum dentro desta aproximação é o modelo parabólico, que é válido para a maioria dos casos em que as energias consideradas encontram-se próximas do máximo da banda de valência ou do mínimo da banda de condução. Contudo este modelo deixa de ser válido para casos em que é necessário levar em consideração energias de estados que se localizam longe da faixa de energia válida para a aproximação parabólica, como ocorre quando se calcula a absorbância de nanoestruturas semicondutoras baseadas em poços, fios e pontos quânticos. A inclusão da não-parabolicidade no modelo de aproximação de massa efetiva para materiais semicondutores no QWS, um programa desenvolvido no LEV para o cálculo de dispositivos baseados em nanoestruturas semicondutoras, aumenta a utilidade da ferramenta computacional para o projeto mais preciso dessas estruturas realizado com base em parâmetros mensuráveis dos dispositivos, o que concorre para a redução do custo de desenvolvimento e para a previsão de comportamento de estruturas não convencionais. Este trabalho apresentou como foi realizada essa implementação na formulação matemática da Equação de Schrödinger para o Método de Elementos Finitos, utilizada pelo QWS. Dois casos foram apresentados nos resultados. O primeiro caso mostrou que para estados próximos do mínimo da banda de condução a aproximação parabólica encontra resultados satisfatórios porém, à medida que os estados se afastam do mínimo da banda de condução, é necessário considerar a correção da não-parabolicidade na aproximação de massa efetiva. As energias calculadas para este caso com a implementação da correção da não-parabolicidade apresentada neste trabalho estão de acordo com os apresentados na Literatura. O segundo caso II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 177 apresentou a curva de absorbância experimental de uma nanoestrutura projetada pelo QWS antes da implementação da correção da não-parabolicidade. O pico do espectro da absorbância experimental, neste caso, foi diferente do calculado pelo QWS durante o projeto da estrutura. O pico calculado só coincide com o pico experimental quando se calcula as energias dos estados considerando o efeito da não-parabolicidade na massa efetiva. Agradecimentos Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no 559908/2010-5 e pela bolsa DT-1D (310578/2012-4). Referências [1] CHEN, W. et al. Bulk and interfacial deep levels observed in In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 multiple quantum well photodiode. Applied Physics Letters, v. 101, n. 5, p. 052107, 2012. [2] TAGHAVI, I.; KAATUZIAN, H.; LEBURTON, J.-P. Bandwidth enhancement and optical performances of multiple quantum well transistor lasers. Applied Physics Letters, v. 100, n. 23, p. 231114, 2012. [3] LUMB, M. P. et al. Double quantum-well tunnel junctions with high peak tunnel currents and low absorption for InP multi-junction solar cells. Applied Physics Letters, v. 100, n. 21, p. 213907, 2012. [4] LUQUE, A.; MARTÍ, A. Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced Transitions at Intermediate Levels. Physical Review Letters, v. 78, n. 26, p. 5014-5017, jun. 1997. [5] LUQUE, A.; MARTÍ, A. The intermediate band solar cell: progress toward the realization of an attractive concept. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), v. 22, n. 2, p. 160-74, 12 jan. 2010. [6] TING, D. Z.-Y. et al. A high-performance long wavelength superlattice complementary barrier infrared detector. Applied Physics Letters, v. 95, n. 2, p. 023508, 2009. [7] MARTYNIUK, P.; ROGALSKI, A. Quantum-dot infrared photodetectors: Status and outlook. Progress in Quantum Electronics, v. 32, n. 3-4, p. 89-120, jan. 2008. [8] TANAKA, R. Y. et al. Software tools for the design and analysis of quantum well, quantum wire and quantum dot devices, 2007 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. Anais...IEEE, 2007. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=4404404>. Acesso em: 25 abr. 2013. [9] PASSARO, A. et al. Self-Consistent Optimization of Multi-Quantum Well Structures by a Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Magnetics, v. 46, n. 8, p. 2759-2762, ago. 2010. [10] FEU, W. H. M. et al. Current bistability in a weakly coupled multi-quantum well structure: a magnetic field induced “memory effect”. Journal of Physics D: Applied Physics, v. 42, n. 14, p. 145109, 21 jul. 2009. [11] VURGAFTMAN, I.; MEYER, J. R.; RAM-MOHAN, L. R. Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics, v. 89, n. 11, p. 5815, 2001. [12] NELSON, D.; MILLER, R.; KLEINMAN, D. Band nonparabolicity effects in semiconductor quantum wells. Physical Review B, v. 35, n. 14, p. 7770-7773, maio. 1987. [13] LIU, H. C.; CAPASSO, F. Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and Device Applications I. [s.l.] Academic Press, 2000. p. 323. Art.32 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.173-178, 2013 178 APLICAÇÃO DE MÉTODOS TEÓRICOS NA DETERMINAÇÃO DAS ESTRUTURAS, POTENCIAL DE IONIZAÇÃO E ELETROAFINIDADE DOS AGREGADOS DE Mgnx (n = 1 - 7, x = 0, ± 1) O. Roberto-Neto1*; F. B. C. Machado2 Instituto de Estudos Avançados - Departamento de Aerotermodinâmica e Hipersônica, DCTA - São José dos Campos – SP 2 Departamento de Química – Instituto Tecnológico da Aeronáutica, DCTA - São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: agregados de magnésio, DFT; CCSD(T); geometrias; energias eletrônicas. Introdução As propriedades de agregados (ou clusters) de metais contendo poucos átomos são significativamente diferentes daquelas do estado sólido (bulk), pois apresentam propriedades eletrônicas, ópticas e magnéticas com comportamento não monotônico e dependente do tamanho [1]. Agregados metálicos e materiais nano-estruturados, devido à baixa dimensionalidade, apresentam potencial em aplicações tecnológicas como catalisadores e o desenvolvimento de novos materiais com aplicações em engenharia aeronáutica. Em trabalho anterior, empregamos métodos da teoria da função de onda (wave function theory, WFT) e métodos do funcional densidade (density functional theory, DFT) no estudo das propriedades eletrônicas e das estruturas de agregados neutros e ionizados de alumínio [2]. Dando continuidade a este trabalho e com o objetivo de adquirimos maior experiência com agregados metálicos formados por elementos químicos representativos da Tabela Periódica, aplicamos métodos da química quântica molecular no estudo de agregados de magnésio. O átomo de magnésio apresenta a configuração eletrônica 1s22s22p62s2 ou [Ne]2s2 e por isso considera-se que o dímero e os agregados maiores podem ser ligados por forças fracas do tipo Van de Waals. Esse tipo de ligação é difícil de ser descrita por métodos teóricos. Outra dificuldade é a escolha adequada de métodos que consigam descrever continuamente diferentes tipos de ligações que ocorrem nos agregados e no estado sólido (bulk de magnésio), ou em outras palavras, interações interatômicas de diferentes origens como: forças de van de Waals ligação covalente ligação metálica. Medidas do espectro fotoeletrônico de agregados aniônicos [3] e cálculos da estrutura eletrônica do magnésio [4,5] indicam que a banda eletrônica típica de ligação metálica começa a predominar quando o número de átomos de magnésio, n, é maior do que 20. Neste estudo investigamos agregados pequenos, neutros e monoionizados de Mgn (n = 2 a 7) cuja natureza da ligação química está na região de transição entre as forças de van der Waals (ou ligação de dispersão) e a ligação covalente, cujas propriedades eletrônicas ainda não foram estudadas adequadamente. Neste trabalho empregamos os métodos DFT PBE0, M06 e M062X na determinação das geometrias, potencial de ionização e da eletroafinidade dos agregados elementais Mgn (n = 2 a 7). Para os dímeros Mg 2 , Mg 2 e Mg 2 utilizamos também o método WFT (coupled cluster singles, doubles and quase perturbative triples (CCSD(T)) para determinar as estruturas e as energias de ligação química. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 179 Metodologia Métodos WFT e DFT foram empregados para a determinação das geometrias de equilíbrio dos isômeros mais estáveis de agregados neutros e com cargas positiva e negativa formados por átomos de magnésio. Em especial, empregamos em todos os cálculos os DFTs PBE0 [6], M06 e M06-2X [7] e o conjunto base aug-cc-pVTZ [8]. Os agregados de magnésio neutros e carregados (cátions e ânions) apresentam multiplicidades de spin singleto e dupleto, respectivamente. Para os dímeros de magnésio realizamos cálculos mais rigorosos com o método WFT CCSD(T) e o conjunto base aug-cc-pCVTZ, além de considerarmos todos os elétrons (caroço eletrônico e valência). O código computacional empregado foi o Gaussian versão 09 [9]. Todas as estruturas iniciais usadas nos cálculos de otimização das geometrias de equilíbrio foram construídas manualmente baseado nas estruturas dos isômeros mais estáveis identificadas em investigações teóricas com métodos DFT [4,5,10]. Neste trabalho são também apresentados valores do potencial de ionização adiabático ( EMgn EMgn ) e da eletronegatividade adiabática ( EMgn EMg ); esta última grandeza é também definida como energia de ligação do elétron ligado (electronic detachment). O potencial de ionização adiabático (PI) (eV) mede a diferença de energia entre o estado fundamental do agregado neutro e ionizado nas suas geometrias otimizadas. A afinidade eletrônica adiabática (AE) é obtida como a diferença das energias totais entre o estado fundamental do ânion e o agregado de magnésio neutro. Resultados e Discussão As geometrias e as frequências vibracionais harmônicas dos agregados de magnésio neutro, cátions e ânions foram determinadas com os funcionais PBE0, M06 e M06-2X. Na Figura 1 são apresentadas as estruturas encontradas com o método M06-2X/aug-cc-pVTZ. Este funcional densidade é recomendado para os cálculos de geometrias, energias e de propriedades eletrônicas de espécies (moléculas e complexos-metálicos) formadas por elementos químicos representativos da Tabela Periódica [7]. Os agregados apresentam estruturas próximas à simetria dos sólidos platônicos, mas que em alguns casos se afastam da simetria ideal por forças de distorção geradas pelo efeito Jahn-Teller em funções onda eletrônicamente degeneradas. Todos os funcionais empregados preveem uma estrutura linear para os cátions Mg 3 e Mg 4 . Note que, em geral, as estruturas dos agregados neutros e carregados para n = 6 e 7 diferem entre si. A transição 2D 3D ocorre a partir de n = 4. Uma comparação com cálculos prévios usando pseudopotenciais nas aproximações dos funcionais PBE [10] e spin-density functional theory (SPFT) [5] mostra que os agregados pequenos de magnésio são espécies não rígidas, ou fluxionais, com a possível presença de isômeros estruturais com energias muito próximas. Os agregados neutros e aniônicos com n = 2, 3, 4 e 5 apresentam estruturas coincidentes ou próximas aos grupos de ponto Dh, D3h, Td, e D3h, respectivamente. Todos os funcionais empregados preveem uma estrutura linear para os cátions Mg 3 e Mg 4 . Note que, em geral, as estruturas dos agregados neutros e carregados para n = 6 e 7 diferem entre si. Na Tabela 1 são apresentadas as propriedades espectroscópicas: distância de equilíbrio (Re), frequencia vibracional harmônica (e) e a energia de ligação ou de dissociação (De) para os dímeros de magnésio neutros e carregados obtidos com os métodos PBE0, M06, M06-2X e CCSD(T) (simbolizado com CC). O dímero Mg 2 apresenta estado eletrônico de multiplicidade singleto e os dímeros carregados Mg 2 e Mg 2 apresentam estados fundamentais dubleto. O dímero Mg 2 apresenta uma ligação muita fraca quando se considera a energia de ligação eletrônica (De) que é igual a 0,056 eV e o comprimento de ligação (Re) igual a 3,890 Å. Estes valores podem ser comparados aqueles do dímero ( Al2 ) do átomo de alumínio que apresenta II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 180 a configuração eletrônica [Ne]2s22p1 e é capaz de formar ligação covalente, ainda que relativamente fraca, com valores experimentais de Re e De iguais 2,701 Å e 1,36 eV [2]. Note que a energia de ligação do Al2 é 25 veze maior do que do dímero Mg 2 . x Figura 1. Geometrias do Mg n (n = 1 - 7, x = 0, ± 1) (calculadas com o método M06-2X/aug-cc-pVTZ). Uma comparação entre os resultados DFT e CCSD(T) mostra que o melhor acordo encontrado com as medidas experimentais é com o método CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ, em que todos os elétrons são considerados nos cálculos de correlação eletrônica. Para este nível de cálculo, os valores teóricos de Re, e e De são 3,927 Å, 50,7 cm1 e 0,056 eV que são comparáveis aos valores experimentais de 3,890 Å, 51.12 e 0,053 eV [11]. Em cálculos prévios CCSD(T) (caroço congelado) e com uma base extensa de qualidade quádrupla zeta [12] foram obtidos valores iguais a 3,969 Å, 45,4 cm1 e 0,050 eV, respectivamente. Os resultados sugerem que a descrição rigorosa das interações de van de Waals na ligação do Mg 2 , depende do emprego de conjuntos bases extensos, assim como da consideração de todos os elétrons nos cálculos de correlação. Dentre os funcionais empregados, o método M06-2X/aug-cc-pVTZ prediz valores dessas constantes espectroscópicas em melhor acordo com os resultados experimentais e teórico CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ. Para o cátion Mg 2 e o ânion Mg 2 há a predição de redução do comprimento de ligação e o concomitante aumento da energia de ligação em relação ao Mg 2 . Uma comparação das grandezas espectroscópicas calculadas com o método CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ mostra que, para ambos os dímeros carregados, o método M06 prediz valores em melhor acordo. Na Tabela 2 são apresentados os valores dos potencias de ionização adiabático (PI) e eletroafinidade (AE) obtidos com os DFTs PBE0, M06 e M06-2X dos agregados de magnésio (n 7). Uma distinção importante entre esses métodos está na porcentagem da energia de II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 181 troca HF (Hartree-Fock) que eles contem que é de 25%, 27% e 56% para os funcionais PBE0, M06 e M06-2X, respectivamente. Em geral, funcionais com maior valor de energia de troca HF são recomendados para cálculos de propriedades eletrônicas de espécies neutras formadas por átomos de elementos químicos, ou metais representativos, da Tabela Periódica, como o caso do átomo de magnésio. Outra propriedade desses funcionais, em especial M06 e M062X, é o fato de que parte do potencial de troca é obtida por ajuste, ou parametrização, a partir de medidas espectroscópicas e termoquímicas, o que em principio aumentaria a exatidão nos cálculos de diferentes grandezas em relação aos dados experimentais. Tabela 1. Valores de Re (Å), e (cm1) e De (eV) para os dímeros de magnésio obtidos com os métodos PBE0, M06, M062X e CCSD(T)(CC). PBE0a M06a M062Xa CCa CCb CCb,c Exp.d Re 3,585 3,513 3,800 4,056 4,036 3,927 3,890 Mg 2 e 90,7 100,3 61,9 38,1 44,2 50,7 51.12 De 0,113 0,118 0,058 0.040 0.041 0.056 0.053 Re 3,045 3,025 3,039 3,057 3,054 3,017 Mg 2 e 205,5 198,9 169,0 0,302 210 214,0 De 1,484 1,354 1,605 1,166 1,294 1,327 Re 3,570 3,215 3,373 3,561 3,227 3,234 Mg 2 e 102,3 128,0 109,3 106,9 129,6 129,8 De 0,472 0,437 0,392 0,415 0,474 0,464 a Conjunto base aug-cc-pVTZ b Conjunto base aug-cc-pCVTZ c Todos os elétrons estão incluídos nos cálculos de correlação d Experimental [11] A partir dos resultados da Tabela 2, notamos que nos cálculos do potencial de ionização (PI), quando se considera a diferença de energia entre os valores experimentais e os calculados, ambos os funcionais M06 e M06-2X predizem, em geral erros menores que os obtidos com o funcional PBE0. Em especial, há uma maior discrepância nos cálculos de PI para n = 6, cujas diferenças são de 0,61, 0,61 e 0,44 eV, calculadas pelos métodos PBE0, M06 e M06-2X. Neste caso, no prosseguimento deste trabalho estão sendo realizados cálculos mais rigorosos com a metodologia CCSD(T), com o objetivo de verificar a origem desta divergência na previsão do valor de PI. Note também que há uma lenta convergência nos valores de PI dos agregados de n = 1 a n = 7 em relação ao valor do bulk de magnésio, 3,64 eV [13]. No caso da previsão dos valores de AE, o método PBE0 prediz valores em excelente acordo com os dados experimentais e cujas diferenças (em módulo) são iguais a 0,12, 0,08, 0,028, 0,01, 0,18 e 0,09 eV para os agregados com n = 2, 3, 4, 5 e 7 átomos de magnésio, respectivamente. Cálculos anteriores com o método MP4(SDTQ)/aug-cc-pVQ [14] predizem valor de AE igual a 0,27 eV para n = 2, que coincide ao obtido com o método PBE0/aug-ccpVTZ (0,26 eV). Em trabalho anterior realizado para os agregados neutros e ionizados de alumínio [2], observamos que o funcional PBE0 prediz também valores bastante exatos de AE. Tanto experimental como teoricamente, mostra-se que o átomo de magnésio não é estável com a presença de elétron adicional em sua camada eletrônica de valência. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 182 Tabela 2. Valores dos potencias de ionização adiabático (PI) (eV) e eletroafinidade AE (eV) obtidos com os DFTs PBE0, M06 e M06-2X dos agregados de magnésio (n 7). n Expa PI PBE0 M06 M06-2X 1 7,54 7,55 7,77 2 6,17 6,32 3 5,67 4 Expa AE PBE0 M06 M06-2X 7,63 - - - - 6,23 6,32 0,26 0,10 0,03 0,38 5,72 5,73 5,85 0,82 0,55 0,56 0,90 5,96 5,94 5,96 6,28 1,27 0,72 1,27 0,99 5 5,27 5,31 5,40 5,50 1,08 0,89 0,77 1,09 6 5,10 5,10 5,27 5,71 1,22 0,99 0,80 1,40 7 5,26 5,29 5,39 5,57 1,37 1,13 2,19 1,46 bulk a Experimental [13] - - - 3,64 - - - 3,64 Conclusões Neste trabalho foram apresentados resultados da investigação teórica de algumas propriedades eletrônicas e estruturais, como o potencial de ionização e eletroafinidade adiabáticos de agregados neutros e monoionizados formados por 2 a 7 átomos de magnésio. O estudo foi realizado com agregados que representam a transição entre dois tipos de ligações químicas, ou seja, forças de van de Waals e ligação covalente cuja descrição rigorosa, da primeira, representa um grande desafio para os métodos da química quântica molecular. No estudo dos dímeros, em especial, Mg 2 mostramos a importância da inclusão dos elétrons internos nos cálculos de correlação eletrônica para obter valores mais exatos das suas propriedades espectroscópicas. Os valores obtidos do potencial de ionização e de afinidade eletrônica mostram que essas duas propriedades são calculadas com razoável exatidão empregando métodos do funcional densidade e que cálculos mais exatos são necessários para verificar a eficiência relativa de todas essas classes de métodos usados, ou seja, PBE0, M06 e M06-2X. Com esse tipo de trabalho esperamos adquirir maior proficiência na investigação de metais e ligas metálicas com possíveis aplicações em engenharia aeronáutica. Agradecimentos CNPq, FAPESP, servidores do CTI-IEAv. Referências [1] DIEDERICH, TH.; DÖPPNER T.; FENNEL, J; TIGGESBÄUMKER, MEIWES-BROER, K. –H., Shell structure of magnesium and other divalent metal clusters. Physical Review A, v. 72, p. 23203-1-23203-11. 2005. [2] KIOHARA, V. O.; CARVALHO, F. V.; PASCHOAL, C. W. A.; MACHADO, B. C.; ROBERTO-NETO, O. DFT and CCSD(T) electronic properties and structures of aluminum clusters: Al nx (n = 19, x = 0, 1). Chemical Physics Letters, v. 568/569, p. 42-48. 2013. [3] THOMAS, O. C.; ZHENG, W.; XU, S.; BOWEN, K. H. Jr., Onset of Metallic Behavior in Magnesium Clusters. Physical Review Letters, v. 213403-1-213403-4. 2002. [4] ACIOLI, P. H.; JELLINEK, J., Electron Binding Energies of Anionic Magnesium Clusters and the Nonmetal-to-Metal Transition. Physical Review Letters, v. 89, p. 213402-13134024. 2002. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 183 [5] JANECEK, S., KROTSCHECK, E.; LIEBRCHT, M. WAHL, R., Structure of Mg2 and Mg 2 clusters up to n = 30. European Physics Journal D, v. 63, p. 377 – 390. 2011. [6] ADAMO, C.; BARONE, V., Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The PBE0 model. Journal of Chemical Physics, v. 110, p. 61586170. [7] ZHAO, Y.; TRUHLAR, D. G., The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functional. Theoretical Chemistry Accounts, v. 120, p. 215-241. 2008. [8] DUNNING, JR, T. H. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen. Journal Chemical Physics v. 90, p.1007-1023. 1989. [9] GAUSSIAN 09, Revision B.01, Gaussian Inc, Wallington, CT. 2009. [10] ZHANG, J.-J.; DUAN, Y.-Y.; XU, K.-K.; JI, V.; MAN, Z.-T., Ab initio calculation of neutral and singly charged Mgn (n 11) clusters. Physica B v. 403, p. 3119-3124. 2011. [11] BALFOUR, W. J.; DOUGLAS, A.E., Absorption spectrum of the Mg2 molecule. Canadian Journal of Physics, v. 48, p. 901-914. 1970. [12] CZUCHAJ, E.; KRÓSNICKI, M.; STOLL, H., Ab initio calculations for the potential curves and spin-orbit coupling of Mg2. Theoretical Chemistry Accounts, v. 107, p. 27-32. 2001. [13] REUSE, F.; KHANNA, S. N.; COULON, V. DE; S. N. BUTTET, J. Pseudopotential local-spin-density studies of neutral and charged Mgn (n 7) clusters. Physical Review B, v.41, n.17, p. 11743-11759, jun. 1990. [14] DIAZ-TORRIJÓN, C. C.; ESPINOSA-MAGÃNA, F.; KAPLAN, I. G. Comparative Theoretical of the Electron Affinities of the Alkaline-Earth Clusters: Ben, Mgn, and Can (n = 2,3). International Journal of Quantum Chemistry, v. 111, p. 103-110. 2011. Art.33 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.179-184, 2013 184 FERRITAS CuxCo1-xFe2O4 - EFEITOS DA VARIAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA NO COMPORTAMENTO ELETROMAGNÉTICO F. F. de Araújo1,2*; A. C. C. Migliano1,2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Departamento de Engenharia Aeronáutica e Mecânica, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras–chave: ferritas, permeabilidade magnética, permissividade elétrica, histerese magnética, propriedades magnéticas. Introdução As ferritas têm um papel importante nas aplicações tecnológicas devido às suas propriedades eletromagnéticas, tais como permeabilidade magnética e permissividade elétrica complexas, que dependem de sua microestrutura, ou seja, do contorno de grão, do seu tamanho médio e de sua porosidade[1,2]. Maaz et al.[3] estudaram as propriedades magnéticas de nanopartículas da ferrita de cobalto (15-48 nm) por meio da curva de histerese magnética utilizando um magnetômetro de amostras vibrantes. A amostra apresentou uma magnetização de saturação de 68 emu/g a temperatura ambiente. É necessário ter informações da curva de histerese magnética com variações na estequiometria para uma devida comparação. Para as ferritas CoFe2O4 e Co0,5Cu0,5Fe2O4 sinterizadas a 900°C, a parte real da permeabilidade, medida em 1 MHz, fica entre 3,84 e 4,52, respectivamente. Este baixo valor de permeabilidade é justificado pela alta porosidade medida nas amostras, que apresentaram densidades relativas entre 3,19 e 4,91[4]. O objetivo do trabalho foi a síntese de ferritas de cobalto com variações de cobre e a avaliação de seu comportamento eletromagnético. Metodologia A estequiometria escolhida foi CuxCo1-xFe2O4 (x = 0,7; 0,5 e 0,9). O método utilizado para a preparação das amostras foi o reação do estado sólido. As amostras foram moídas e misturadas em um almofariz durante 1 hora. Após a moagem, as amostras foram présinterizadas a 800°C por 4 horas. As amostras foram conformadas por prensagem uniaxial em uma prensa manual, aplicando-se 50MPa. Os cilindros e pastilhas foram aquecidos a 300ºC por 4 horas, subindo para o patamar de 600ºC por 4 horas e em seguida sinterizados a 1200ºC por 6 horas com uma taxa de aquecimento de 200°C/h. Foram feitas curvas de histerese magnética a temperatura ambiente utilizando um magnetômetro de amostra vibrante modelo VSM 7400 da Lake Shore na frequência de 60 Hz. Para a caracterização da permeabilidade magnética e da permissividade elétrica complexas em temperaturas de -20°C a +70°C, e em baixa frequência, 40Hz a 110MHz, foi utilizado o Método da Impedância[5]. Uma sonda modelo 42941A da Agilent Co foi conectada ao analisador de impedância modelo 4294A da Agilent Co. A amostra foi colocada na sonda e levada até a câmara de temperatura com controle de umidade modelo SH-241 da ESPEC.. A umidade no interior da câmara foi programada para 30%. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.185-189, 2013 185 Resultados e Discussão As curvas de magnetização em função da intensidade do campo magnético informam sobre a dureza dos materiais magnéticos. Quando um campo magnético é aplicado sobre um material magnético suas paredes de domínio se movimentam e seus momentos magnéticos se alinham na mesma direção do campo. Para campos magnéticos baixos, este processo é reversível. Para campos magnéticos altos, o processo é irreversível, assim, os momentos magnéticos não retornam a posição inicial quando o campo é removido. Este fenômeno é conhecido como histerese magnética [6]. A Figura 1-a apresenta a curva de magnetização da amostra Cu0,5Co0,5Fe2O4 em função do campo magnético aplicado. A Figura 1-b apresenta a curva de magnetização da amostra Cu0,7Co0,3Fe2O4 em função do campo magnético aplicado. A curva de magnetização da amostra Cu0,5Co0,5Fe2O4 apresentou magnetização de saturação de 56,40 emu/g. A curva de magnetização da amostra Cu0,7Co0,3Fe2O4 apresentou um magnetização de saturação de 49,03 emu/g. A Figura 1-c apresenta a curva de magnetização da amostra Cu0,9Co0,1Fe2O4 em função do campo magnético aplicado. A curva de magnetização da amostra Cu0,9Co0,1Fe2O4 apresentou uma magnetização de saturação de 48,26 emu/g. Todas as amostras apresentaram curvas de histerese magnética estreitas, que podem ser atribuídas a um mínimo na energia dos domínios magnéticos. A área interna da curva de magnetização representa a perda de energia devido a imperfeições ou impurezas no material[7]. Nota-se uma diminuição na magnetização de saturação com o aumento de óxido de cobre (CuO) nas amostras. A Tabela 1 apresenta os valores do campo coercivo (Hc), magnetização remanente (Mr) e da magnetização de saturação (Ms) das amostras. Devido aos valores de campo coercivo (maiores que 125Oe), as amostras podem ser consideradas materiais magnéticos moles[8]. Tabela 1. Valores do campo coercivo (Hc), magnetização remanente (Mr) e da magnetização de saturação (Ms) das amostras. Amostra Ms (emu/g) Hc (KOe) Mr (emu/g) Cu0,5Co0,5Fe2O4 56,40 107,45 4,63 Cu0,7Co0,3Fe2O4 49,03 94,04 3,55 Cu0,9Co0,1Fe2O4 48,26 77,45 3,27 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.185-189, 2013 186 60 60 Cu0,5Co0,5Fe2O4 Magnetização (emnu/g) Magnetização (emu/g) Cu0,7Co0,3Fe2O4 40 40 20 0 -20 20 0 -20 -40 -40 -60 -15,0k -10,0k -5,0k 0,0 5,0k 10,0k -60 -15,0k 15,0k Campo Magnético Aplicado (Oe) -10,0k -5,0k 5,0k 10,0k 15,0k (b) (a) 40 Magnetização (emu/g) 0,0 Campo Magnético Aplicado (G) Cu0,9Co0,1Fe2O4 20 0 -20 -40 -15,0k -10,0k -5,0k 0,0 5,0k 10,0k 15,0k Campo Magnético Aplicado (Oe) (c) Figura 1: Curvas de magnetização para as amostras de (a) Cu0,5Co0,5Fe2O4, (b) Cu0,7Co0,3Fe2O4, e (c) Cu0,9Co0,1Fe2O4 8,0 Cu0,5Co0,5Fe2O4 7,5 Cu0,7Co0,3Fe2O4 7,0 Frequência: 100MHz Cu0,9Co0,1Fe2O4 ' 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 -20 0 20 40 60 80 Temperatura (°C) Figura 2. Parte real da permissividade (ɛ’). Figura 3. Parte imaginária da permissividade (ɛ”). Nota-se que a magnetização remanente diminui com o aumento de CuO nas amostras. A Figura 2 apresenta a parte real da permissividade elétrica (ɛ’) para todas as amostras em função da temperatura, na frequência de 100MHz. A Figura 3 apresenta a parte imaginária da II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.185-189, 2013 187 permissividade (ɛ”) para todas as amostras em função da temperatura, na frequência de 100MHz. Os valores da parte real da permissividade elétrica (ɛ’) aumentaram com o aumento da temperatura para todas as amostras. 1,75 0,10 0,08 1,70 0,06 1,65 0,04 1,60 Cu0,7Co0,3Fe2O4 1,55 Frequência: 100MHz 0,02 Cu0,9Co0,1Fe2O4 '' ' Cu0,5Co0,5Fe2O4 0,00 Cu0,5Co0,5Fe2O4 -0,02 Cu0,7Co0,3Fe2O4 1,50 -0,04 1,45 Cu0,9Co0,1Fe2O4 Frequência: 100MHz -0,06 -0,08 1,40 -20 0 20 40 60 80 Figura 4. Parte permeabilidade (µ’). -20 0 20 40 60 80 Temperatura (°C) Temperatura (°C) real da Figura 5. Parte imaginária da permeabilidade (µ”). As amostras com x = 0,5 e 0,7 apresentaram um aumento na parte imaginária da permissividade elétrica (ɛ”) e a amostra com x = 0,9 apresentou um decréscimo entre as temperaturas -20°C e 0°C. A Figura 4 apresenta a parte real da permeabilidade magnética (µ’) para todas amostras em função da temperatura, na frequência de 100MHz. A Figura 5 apresenta a parte imaginária da permeabilidade magnética (µ”) para todas amostras em função da temperatura, na frequência de 100MHz. Todas as amostras apresentaram um aumento na parte real da permeabilidade magnética (µ’) com o aumento da temperatura. As amostras com x = 0,5 e 0,7 apresentaram um aumento na parte imaginária da permeabilidade magnética (µ”) e a amostra com x = 0,9 apresentou um decréscimo entre as temperaturas -20°C e +20°C. Conclusões Todas as amostras apresentaram curvas de histerese estreitas e possuem característica de material magnético mole. A magnetização de saturação diminuiu com o aumento de CuO nas amostras. As partes reais da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética variaram com o aumento da temperatura, porém com valores discretos. Não houve variações significantes nas diferentes estequiometrias estudadas quanto à caracterização eletromagnética. Agradecimentos Os autores agradecem a FAPESP (projeto 2012/01448-2) e a CAPES(projeto Pró-Estratégia nº 26) Referências [1] PYUN, S. I. and BAEK, J.T. Microstructural Dependance of Permeability and Permeability Spectra in Ni–Zn Ferrites. American Ceramic Society Bulletin,v.64, p.602-605, 1985. [2] COSTA, A . C. F. M.; MORELLI, M. R.; KIMINAMI, R. H. G. A. Microestrutura e propriedades magnéticas de ferritas Ni-Zn-Sm. Cerâmica, v. 49, p. 168-173, 2003. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.185-189, 2013 188 [3] MAAZ, K. et al. Synthesis and magnetic properties of cobalt ferrite (CoFe2O4) nanoparticles prepared by wet chemical route. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, New York, NY, v. 308, n. 2, p. 289-295, 2007. [4] AN, S. Y.; KIM, S.; SON, S. H.; SONG, S. Y.; HAHN, J. W.; HYUN, S. W.; KIM, C. M. and KIM, C. S. Magnetic properties of Cu2+ substituted Co-ferrite, Thin Solid Films, v. 519, p. 8296-8298, 2011. [5] CÔRTES, A. L.; MIGLIANO, A. C. C.; BRITO, V. L. O.; ORLANDO, A .J. F. Practical Aspects of the Characterization of Ferrite Absorber Using One-port Device at RF Frequencies. In: PROGRESS IN ELECTROMAGETICS RESEARCH SYMPOSIUM, Pequim 2007. PIERS 2007 Proceedings. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology, 2007. p. 683-687. Disponível em: http://piers.org/piersproceedings/piers2k7BeijingProc.php acesso em 18 de julho 2012. [6] ASHCROFT, N. W. and MERMIM, N.D. Solid State Physics. Saunders Colllege: Nova Iorque, 1976. [7] JILES, D. Introduction to magnetism and magnetic materials. Chapman & Hall: London, UK, 1991. [8] JILES, D.C. Recent advances and future direction in magnetic materials. Acta Materialia, v. 51, p. 5907-5939, 2003. Art.34 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.185-189, 2013 189 ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE AÇOS AERONÁUTICOS SUBMETIDOS A DIFERENTES TRATAMENTOS TÉRMICOS 1 M. Y. A. Itoyama1; A. J. Abdalla2 Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP Guaratinguetá-SP. 2 Instituto de Estudos Avançados – IEAv/DCTA, São José dos Campos-SP. [email protected] Palavras-chave: aço AISI/SAE 4350, caracterização microestrutural, propriedades mecânicas. Introdução Foi utilizado neste estudo o aço multifásico de ultra-resistência AISI 4350, com médio teor de carbono e baixa liga, devido as suas propriedades é indicado para aplicações aeroespaciais. O trabalho visa analisar a relação entre as rotas de tratamentos térmicos realizadas e as microestruturas formadas. É importante encontrar uma combinação adequada entre as diversas frações volumétricas das fases na microestrutura, como ferrita, austenita retida, bainita, martensita, que permita elevar a resistência mantendo níveis aceitáveis de ductilidade e a tenacidade, este consiste em um dos principais desafios observado em pesquisas recentes. Como em um aço multifásico as frações volumétricas das diferentes fases formadas dependem diretamente das rotas de tratamentos térmicos escolhidas e aplicadas, uma melhor compreensão da relação entre os parâmetros de tratamento térmico e a microestrutura formada é importante. A análise das micrografias obtidas por microscopia óptica contribui para entender esta relação. Ao aquecer um aço até uma temperatura correspondente a região intercrítica, onde a ferrita e a austenita coexistem, é possível obter diferentes microestruturas utilizando rotas de tratamento com velocidade de resfriamento variado [1]. A boa compreensão da contribuição das fases presentes em uma estrutura como a multifásica, é importante, cada fase traz a sua contribuição, por exemplo, a fração de austenita retida presente nos aços TRIP é imprescindível para melhorar a tenacidade deste tipo de estrutura. Assim sendo, as propriedades mecânicas de aços TRIP estão estritamente relacionadas à estabilidade mecânica da austenita retida, a qual por si mesma depende de vários fatores como a quantidade de carbono e presença de estabilizadores como o Si ou o Mn [2,3]. Então, quando a energia necessária para a ativação é induzida por deformação, a austenita retida transforma-se em martensita melhorando significantemente as propriedades mecânicas, dentre as quais, a capacidade de trabalho a frio do material [1]. A microestrutura bainítica, por sua vez, em quantidades significativas, tem demonstrado exercer uma importante influência na estrutura de novos aços, o que tem sido descrito prioritariamente de um modo enfático em diversos trabalhos recentes, que têm recebido grande destaque, realizados por pesquisadores como Bhadeshia e Caballero [4]. Dentre estes desenvolvimentos, encontram-se uma série de aços bainíticos, constituídos de ferrita bainítica livre de carbonetos e austenita enriquecida em carbono na microestrutura, os quais têm revelado extraordinárias propriedades mecânicas [5]. Tais pesquisas têm apontado que a bainita livre de carbonetos, também denominada como ferrita acicular é, originalmente, a microestrutura ideal, pois devido à ausência de carbetos, o aço possui uma alta resistência à fratura por clivagem e pelo mecanismo de formação de vazios. E também, a resistência e a tenacidade podem ser melhoradas, por causa do tamanho de grão ultrafino das placas de ferrita bainítica, e possível aumento adicional da tenacidade em decorrência do efeito da plasticidade induzida pela transformação (efeito TRIP) [6]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.190-194, 2013 190 Já, para os aços de ultra-resistência, com médio teor de carbono, como o aço AISI 4340 e o AISI 4350, que apresentam resistências mecânicas elevadas e baixa tenacidade quando submetidos à têmpera e ao revenimento, a obtenção de uma complexa estrutura multifásica, quando submetidos a tratamentos térmicos específicos, pode permitir um aumento da resistência aliada à tenacidade, o que melhora o seu desempenho [7]. Investigações com aços 4340 mostram que microestruturas constituídas de bainita-martensita apresentam, em certos casos, uma melhor combinação entre resistência e ductilidade, quando comparadas ao comportamento destes aços em uma condição completamente martensítica [8]. A literatura revela que, em associação com a martensita temperada, a bainita inferior é a forma preferida de bainita escolhida para melhorar o comportamento mecânico, sendo a quantia de aproximadamente 25% do volume de bainita inferior considerada uma ótima proporção [9]. Um fato apontado como responsável por esta estrutura possuir valores de alta resistência e tenacidade, maiores do que aos encontrados para a bainita superior, é que pelo decréscimo da temperatura de transformação bainítica até a faixa de temperatura em que se forma a bainita inferior, aproximadamente entre 200 oC e 300 oC, ou seja, temperaturas abaixo de 350o C, o produto da transformação apresenta uma aparência acicular similar aquela da martensita revenida, onde a fase ferrita existe na forma de placas finas e partículas estreitas de cementita, na forma de bastões ou lâminas muito finas, se formam também no interior dessa ferrita. Outro fato é que os carbetos poderão estar com melhor dispersão, o tamanho das partículas de carbetos poderão ser menores e o número de partículas de carbetos no plano da seção poderão ser maiores, o que conseqüentemente aumentará a resistência [10]. Um dos benefícios deste estudo é a economia de energia e recursos durante a manufatura de componentes forjados, além do que, estes aços apresentam uma resistência a tração acima de 1000 MPa, equivalente a dos aços temperados e revenidos, sendo também possível empregálos em uma extensa escala de aplicações, em que a principal característica requerida seja o desenvolvimento de partes estruturais leves [11]. Desta forma, o presente trabalho tem por objetivo avaliar a influência que os diferentes intervalos de tempo de permanência, em uma determinada temperatura de transformação bainítica, exercem nas frações volumétricas das fases desenvolvidas, para obtenção das diversas microestruturas multifásicas em um aço AISI 4350, e sua posterior repercussão nas propriedades mecânicas. Metodologia A composição química para o aço AISI 4350, produzido pela Villares Metals S.A. e fornecido para esta pesquisa, é apresentada na Tab.1. C 0,501 Tabela 1 – Composição química para o aço AISI 4350. Mn Si Cr Mo Ni 0,70 0,20 0,80 0,24 1,71 P 0,008 S 0,012 Inicialmente, corpos de prova (CDP’s) do aço AISI 4350 foram confeccionados de acordo com a norma ASTM E8, para ensaios de tração. Os corpos de prova foram submetidos aos seguintes tratamentos térmicos: 1. Recozimento: aquecidos a 850ºC por 900s e resfriados ao forno. 2. Têmpera e Revenimento: aquecimento a 850oC, mantido por 900s, sendo em seguida, realizada uma têmpera em óleo. Posteriormente, foram mantidos em um forno a 210oC por 2 horas. 3. Isotérmico (280ºC): aquecimento a 850oC, mantido por 900 s, transferido para um outro forno a 280oC, mantido por 1800s, e resfriado em água; A determinação teórica das temperaturas de início das transformações martensíticas ajuda a delimitar a faixa de temperatura em que ocorre a transformação bainítica [12]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.190-194, 2013 191 Para cada condição de tratamento térmico adotado foi preparada uma amostra, pela execução dos procedimentos metalográficos, que consiste de: corte, embutimento, lixamento e polimento. A caracterização microestrutural foi realizada através da técnica de tríplice ataque, onde foram utilizados os reagentes: nital 2%; solução aquosa de metabissulfito de sódio 10%; e reagente LePera, que consiste da mistura entre duas soluções, sendo: solução aquosa de metabissulfito de sódio 1% e solução de ácido pícrico em etanol 4% [13,14]. Em associação, as fases presentes foram quantificadas após análise das imagens, obtidas por microscopia óptica, de acordo com o que prescreve a norma ASTM E-1382, fazendo-se uso do software AxioVision Rel.4.8. Os ensaios de tração foram realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá - UNESP, e o equipamento utilizado foi uma Máquina de Ensaio Universal modelo INSTRON 8801, servo-hidráulica, com célula de carga de 100 KN. Resultados e Discussão As micrografias da Fig.1 mostram o aspecto das microestruturas após os tratamentos térmicos de recozimento (Fig.1.a), onde a fase clara é ferrita e austenita e a escura perlita, a Fig.1.b, temperada e revenida, mostra a estrutura típica de martensita e na Fig.1.c, a estrutura formada no tratamento isotérmico, bainita. a b c Figura 1(Microscopia Optica): microestruturas atacadas com nital 2%: (a) ferrita/perlita, (b) martensita e (c) bainita. As micrografias da Fig.2 ilustras o aspecto das mesmas amostras anteriores atacadas com solução de metabissulfito de sódio 10%, utilizado para destacar a presença de austenita retida, que aparece com coloração clara. a b a c Figura 2(Microscopia Optica): microestrutura atacada com Metabissufito de sódio 2%: (a) ferrita/perlita, (b) martensita e c) bainita. O reagente LePera tem como principal finalidade identificar a fase bainítica, As imagens da Fig.3 destacam a fase marrom (3.a) predominante devido ao tratamento isotérmico a 280ºC e na estrutura martensítica algumas agulhas de bainita formada (3.b). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.190-194, 2013 192 a b Figura 3 (Microscopia Optica): ataque Le Pera – (a) destacando a bainita - fase marrom e (b) mostrando as agulhas de bainita presentes na estrutura martensítica. Em função das imagens e com a utilização do software Image J, foi possível a determinação do percentual de cada fase presente, a Tab.2 mostra os resultados obtidos. Tabela 2 – Percentual correspondente às frações volumétricas das fases ferrita, austenita retida, bainita e martensita. Tratamentos Térmicos 1.Recozimento 2.Têmpera/Revenimento 3. Isotérmico 280ºC Ferrita % 29,0 ± 8,0 3,6 ± 1,2 5,4 ± 2,2 Perlita % 64,4 ± 8,0 - Austenita Retida % 3,8 ± 1,5 4,2 ± 0,6 6,1 ± 0,5 Bainita % 3,5 ± 1,0 78,6 ± 10,2 Martensita % 2,8 ± 1,5 88,7 ± 4,6 9,9 ± 0,5 Observa-se, a partir da tab.2 que as microestruturas predominantes no tratamento de recozimento é a perlita e ferrita, na têmpera, a martensita e no tratamento isotérmico a bainita. Estes componentes terão influência nas propriedades mecânicas, conforme mostrado na Tab.3. Tabela 3 – Propriedades mecânicas para as três condições de tratamento estudadas. Tratamentos Térmicos 1.Recozimento 2.Têmpera/Revenimento 3. Isotérmico 280ºC Limite de Escoamento (MPa) 535 ± 21 1364 ± 27 1108 ± 32 Limite de Resistência (MPa) 1124 ± 25 1914 ± 33 1771 ± 28 Alongamento % 12,6 ± 0,8 2,8 ± 0,4 10,1 ± 0,7 Observa-se pela Tab.3 que as estruturas bainíticas e martensíticas elevam substancialmente os níveis de resistência do aço 4350, comparados com a estrutura perlítica/ferrítica. No entanto é importante ressaltar que há uma grande redução na ductilidade do aço temperado, indicando que esta necessitaria de um revenimento por um tempo mais prolongado ou uma temperatura mais elevada. A Estrutura bainítica seria a estrutura mais indicada, entre as três condições estudadas, pois além do aumento dos limites de escoamento e resistência, mantém uma boa ductilidade, indicando que houve melhoria na tenacidade. Conclusões Os tratamentos térmicos aplicados mostraram-se eficientes para a formação de diferentes microestruturas no aço 4350. Através das três rotas propostas ocorreu a formação de estruturas com diferentes frações volumétricas de ferrita, perlita, martensita, bainita e austenita retida. Na estrutura recozida, houve predomínio do constituinte perlítico (64,4%) e da fase ferrita (29%). Na estrutura do aço temperado e revenido observou-se um predomínio da fase martensita (88,7%), com elevação na resistência à tração, porém com perda na ductilidade. Na estrutura resfriada isotermicamente a 280ºC o predomínio foi do constituinte bainítico (88,7%), com aumento na resistência a tração e manutenção do alongamento, sendo II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.190-194, 2013 193 a estrutura mais indicada para elevar os níveis de resistência sem perda da tenacidade. Este trabalho contribui para mostrar como os diferentes ataques químicos podem ajudar na identificação das diferentes fases presentes no aço e analisar como a fração volumétrica destas fases influencia nas propriedades mecânicas, possibilitando, desta forma, a programação de roteiros de tratamentos térmicos que levarão às propriedades desejadas, para cada tipo de aplicação. Agradecimentos Os autores agradecem ao CNPq(bolsa PIBIC), ao IEAv e a CAPES (Pró-Defesa Proc.14/08), ao IEAv pela oportunidade e ao ITA pelo apóio recebido. Referências [1] S. Oliver, T. B. Jones, G. Fourlaris, Dual phase versus TRIP strip steels: Microstructural changes as a consequence of quasi-static and dynamic tensile testing, Mater. Charact. 58 (2007) 390-400. [2] E. P. Kwon, S. Fujieda, K. Shinoda, S. Suzuki, Characterization of transformed and deformed microstructures in transformation induced plasticity steels using electron backscattering diffraction, Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 5007-5017. [3] P. J. Jacques, Q. Furnémont, F. Lani, T. Pardoen, F. Delannay, Multiscale mechanics of TRIP-assisted multiphase steels: I. Characterization and mechanical testing, Acta Mater. 55 (2007) 3681-3693. [4] BHADESHIA, H. K. D. H. – Bainite in Steels – Transformations, Microstructure and Properties. London: The Institute of Materials 1 Carlton House Terrace, 1992. 450p. [5] M. N. Yoozbashi, S. Yazdani, T. S. Wang, Design of a new nanostructured high-Si bainitic steel with lower cost production, Mater. Design 32 (2011) 3248-3253. [6] F. G. Caballero, M. J. Santofimia, C. García-Mateo, J. Chao, C. García de Andrés, Theoretical design and advanced microstructure in super high strength steels, Mater. Design 30 (2009) 2077-2083. [7] Y. Tomita, Effect of martensite morphology on mechanical properties of low alloy steel having mixed structure of martensite and lower bainite, Mater. Sci. Tech. 7 (1991) 299-306. [8] T. V. L. N. Rao, S. N. Dikshit, G. Malakondaiah, P. R. Rao, On mixed upper bainitemartensite in an AISI 4330 steel exhibiting an uncommonly improved strength-thoughness combination, Scripta Metal. Mater. 24 (1990) 1323-1328. [9] V. K. Saxena, G. Malakondaiah, V. M. Radhakrishnan, P. R. Rao, On the fatigue crack growth resistance of upper bainite-martensite in an AISI 4330 steel, Scripta Metal. Mater. 28 (1993) 1257-1260. [10] H. A. Aglan, Z. Y. Liu, M. F. Hassan, M. Fateh, Mechanical and fracture behavior of bainitic rail steel, J. Mater. Proc. Tech. 151 (2004) 268-274. [11] Y. Luo, J. Peng, H. Wang, X. Wu, Effect of tempering on microstructure and mechanical properties of a non-quenched bainitic steel, Mater. Sci. Eng. A 527 (2010) 3433-3437. [12] K. W. Andrews, Empirical formulae for the calculation of some transformation temperatures, JISI (1965) 721-727. [13] T. M. Hashimoto, A. P. Silva, M. S. Pereira, A. J. Abdalla, Caracterização microestrutural de aços multifásicos por técnica de tríplice ataque, 17 CBECIMat – Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil. [14] R. M. Anazawa, A. J. Abadalla, T. M. Hashimoto, M. S. Pereira, Efeito dos tratamentos intercrítico e isotérmico sobre as propriedades mecânicas e a microestrutura no aço 300M, Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo 25 (2006) 93-97. Art.35 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.190-194, 2013 194 DETERMINAÇÃO DA FOTOCORRENTE EM DISPOSITIVOS DETECTORES DE INFRAVERMELHO BASEADOS EM POÇOS QUÂNTICOS1 1 D. M. Pedroso1,2*; A. Passaro1 Instituto de Estudos Avançados –Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP 2 Universidade Estadual Paulista - UNESP, Guaratinguetá – SP *[email protected] Palavras-chave: QWIP; programação orientada a objetos. Introdução O desenvolvimento de ligas semicondutoras e a engenharia de bandas permitiu o desenvolvimento de uma série de dispositivos nanoestruturados baseados em tecnologia de poços, pontos e fios quânticos. Exemplo desta aplicação são os detectores de infravermelho baseados em transições eletrônicas intrabanda. Neste trabalho, apresentamos um modelo utilizado para cálculo de fotocorrente em dispositivos detectores de infravermelho baseados em poços quânticos (QWIP – Quantum Well Infrared Photodetector) e uma ferramenta computacional desenvolvida para esta tarefa. Dispositivos QWIPs são alternativas interessantes para aplicações em medicina, proteção ambiental, telecomunicações e segurança. São construídos por meio de deposição intercalada de camadas de ligas semicondutoras com diferentes energias de gap, de forma que após o alinhamento das bandas é formada uma estrutura de poços e barreiras. Em estruturas típicas de QWIPs existem de 40 a 50 períodos de poços e barreiras, onde o tamanho é definido por meio das características desejadas para a estrutura e do perfil de banda projetado. Para o presente trabalho a estrutura de interesse é formada por poços retangulares de barreiras simétricas. Os poços possuem dopagem tipo-n de tal forma que todo o processo de detecção ocorre na banda de condução. Abaixo apresentamos uma figura representativa da estrutura considerada, assim como o perfil da banda de condução de um período da heteroestrutura. (a) (b) Figura 1. (a): representação da deposição de camadas das ligas semicondutoras de forma intercalada formando as barreiras (AlGaAs) e o poço (GaAs). (b): perfil da banda de condução com representação da função densidade de probabilidade para o primeiro e segundo estado. 1 Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq nº. 559908/2010-5. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 195 As estruturas são projetadas de tal forma que o primeiro estado excitado do poço possua energia ressonante com a altura da barreira, conforme pode ser visto na Figura 1(b). Esta configuração dos estados garante uma melhor detectividade ao sensor [1]. O princípio de funcionamento do dispositivo considerado neste trabalho é baseado na excitação de elétrons do estado fundamental para o primeiro estado excitado via interação com fótons de energia igual a diferença de energia entre os estados. O elétron excitado é transportado por aplicação de campo elétrico na estrutura. Este princípio de funcionamento permite uma estreita banda de absorção tendo como pico de detecção os fótons com energia correspondente a diferença entre o estado fundamental e o primeiro estado excitado. A temperatura de operação dos QWIPs é determinada pelo nível de ruído térmico, gerado por espalhamento fônon-assistido. Quanto maior a temperatura, maior o espalhamento térmico e, consequentemente, o ruído do dispositivo. Outras fontes de ruído podem estar presentes na estrutura como a geração e recombinação de pares. Detalhes sobre efeitos térmicos e geração de corrente de escuro (corrente detectada sem a incidência de fótons) podem ser encontrados em [2, 3]. Neste trabalho apresentamos o modelo físico envolvido no cálculo de fotocorrente e uma ferramenta computacional desenvolvida para a realização deste cálculo. Metodologia O processo físico de formação de fotocorrente pode ser descrito como um processo de absorção de fótons e consequente excitação dos elétrons do estado fundamental para estados excitados. O estado final do elétron excitado depende da energia do fóton incidente. As probabilidades de transição devido ao espalhamento por fótons são determinadas pelo cálculo das forças de oscilador. Mais informações estão disponíveis em [4]. O elétron excitado é transportado através da estrutura, devido à ação de campo elétrico aplicado. Ao longo desse transporte, o elétron sofre espalhamento por fônons da estrutura e por defeitos existentes na interface entre as camadas de material da barreira e do poço. O espalhamento na interface possibilita com que o elétron seja relaxado para o estado fundamental (no interior do poço). Este processo é parte de um mecanismo denominado ganho fotocondutivo. Para elétrons excitados termicamente existe um mecanismo análogo denominado ganho de ruído. A expressão para o ganho fotocondutivo é dado por [5]: (1) onde N é o número de poços da estrutura e pc é a probabilidade de captura de um elétron na região do poço. O parâmetro pc depende de características da estrutura (material, perfil da banda) e da tensão aplicada. De forma geral, quanto maior a tensão aplicada no dispositivo menor a probabilidade de captura. Estudos específicos sobre este parâmetro podem ser encontrados em [6]. O cálculo da fotocorrente é dado pela seguinte equação: (2) onde ϴ é o fluxo de fótons incidentes, gp é o ganho fotocondutivo, e é a carga do elétron e η é o coeficiente de absorção da estrutura. Para uma estrutura contendo uma série de poços simples (retangulares com barreiras simétricas) idênticos, temos que η=Nη(1), onde η(1) é o coeficiente de absorção para um único poço. Esta consideração é válida para baixas tensões aplicadas. O parâmetro de coeficiente de absorção é dado por: II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 196 (3) onde h é a constante de Planck, ψ(f,i) é a função de onda do estado final e inicial, E é a energia do estado correspondente, ν é a frequência do elétron incidente e Hint é a hamiltoniana de interação do fóton com o elétron. A hamiltoniana de interação utiliza uma aproximação de dipolo elétrico e baixo fluxo de fótons incidentes (não existem efeitos de segunda ordem). A expressão final para o coeficiente de absorção considerando a estrutura de poços retangulares de barreiras simétricas é dado por: (4) onde: ξ (ξ0) é o coeficente de permissividade elétrica do material do poço (vácuo), m é a massa efetiva do elétron no poço, c é a velocidade da luz, n2d é a concentração bidimensional dos portadores no poço, fosc é a força de oscilador no sistema, δE é um parâmetro empírico de alargamento de linha. O ângulo θ é o ângulo de incidência do fóton com o eixo de crescimento do dispositivo. A dedução completa desta equaçao encontra-se em [7]. O parâmetro δE refere-se aos diversos mecanismos possíveis de alargamento de linha no espectro de absorção do dispositivo, e depende de características empíricas da estrutura. Uma ferramenta computacional foi implementada para realização do cálculo da fotocorrente em QWIPs. A implementação foi efetuada utilizando-se de paradigma de programação orientada a objetos. A ferramenta implementada está inclusa na forma de um módulo computacional no software QWS [8, 9]. No diagrama abaixo são apresentadas as classes correspondentes a esta implementação: Figura 2. Diagrama de classes criado para implementação do modulo de cálculo de fotocorrente. Resultados e Discussão Apresentamos a seguir resultados simulados considerando um dispositivo com as seguintes características (dispositivo denominado SP3517SP): II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 197 SP3517SP2 Al0.205Ga0.795As 300Å GaAs – 56,5Å Poço – 1018 cm-3 50 400μm x 400µm Barreiras Poços Dopagem Número de períodos Área do QWIP A seguir são apresentados resultados obtidos variando a tensão aplicada no dispositivo sem utilizar correção das energias em função do campo elétrico aplicado na estrutura. 1.2 Fotocorrente [A] SP3517SP2 V=1.2v V=2v 0.8 V=2.5v V=3.2v 0.4 0 0x100 4x10-6 8x10-6 1x10-5 2x10-5 Comprimento de onda [m Figura 3. Resultados de fotocorrente considerando-se variação da tensão aplicada sem correção das energias dos estados presentes na estrutura. Quando os estados do sistema são recalculados para cada valor de tensão aplicada no sistema, considerando fluxo de fótons incidentes Φ=5.109 s-1, encontramos: Fotocorrente [A] 0.4 SP3517SP2 V=0.01v V=0.1v V=0.5v V=1v V=1.5v V=2v 0.3 0.2 0.1 0 4E-006 6E-006 8E-006 1E-005 1.2E-005 1.4E-005 Comprimento de onda [m] Figura 4. Resultados de fotocorrente considerando-se variação da tensão aplicada com correção das energias dos estados presentes na estrutura em função do valor de tensão. Os resultados obtidos na figura 4 estão qualitativamente de acordo com o apresentado em [4]. Esta alteração no pico de absorção está associado a mudança da posição dos estados com a tensão aplicada e ao surgimento de mais estados associados a estrutura. O parâmetro δE geralmente é usado como variável de ajuste da curva. Podemos verificar o efeito da variação deste parâmetro no resultado da fotocorrente: II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 198 Fotocorrente [A] 1 SP3517SP2 V=2.2v V=2.2v 0.8 V=2.2v V=2.2v 0.6 0.4 0.2 0 4E-006 6E-006 8E-006 1E-005 1.2E-005 1.4E-005 Comprimento de onda [m] Figura 5. Resultados de fotocorrente considerando-se variação do parâmetro empírico de alargamento de linha δE. O alargamento do espectro da fotocorrente torna-se mais significativo com o aumento de δE, sendo que valor máximo absoluto do espectro diminui. Verifica-se nesse caso o efeito negativo da presença de defeitos na estrutura. Conforme citado em [10], um baixo valor de fotocorrente irá afetar a detectividade do dispositivo. A temperatura não possui efeito significativo no cálculo da fotocorrente, a energia de Fermi encontra-se acima do estado fundamental, onde praticamente não há mudanças no número de portadores do poço com a variação da temperatura. Conclusões O modelo físico considerado é válido somente para estruturas simples formadas por uma série de poços e barreiras idênticos. A aplicação deste modelo em outras estruturas deverá ser analisada em cada caso. A ferramenta computacional está concluída e liberada para utilização em projetos de nanoestruturas fotodetectoras. Na figura a seguir é apresentada a interface da ferramenta. Figura 6. Interface da ferramenta de cálculo de fotocorrente. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 199 Agradecimentos Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no559908/2010-5 e pelas bolsas ITI-A 180248/2012-0 e bolsa produtividade 310578/2012-4. Referências [1] Gunapala, S.D. ; Bandara, S.V.; Significance of the first excited state position in quantum well infrared Photodetectors, Microeletronics Journal, 30, 1057 (1999). [2] Levine, B. F., Quantum-well infrared photodetectors, Journal of Applied Physics, 74, R1– R81 (1993). [3] Lhuillier, E.; Ribet-Mohamed, I.; Tauvy, A.; Nedelcu, A.; Berger, V.; Rosencher, E.; Ultimate performance of quantum well infrared photodetectors in the tunneling regime, Infrared Physics & Technology, 52, 132 (2009). [4] Micha, D. N.; Fabricação de fotodetectores de radiação infravermelha baseados em poços quânticos para detecção de gases. Rio de Janeiro, 2010. Dissertação de mestrado - Instituto de Física, Universidade Federal do Rio de Janeiro,. [5] Liu, H.C.; Photoconductive gain mechanism of quantum-well intersubband infrared detectors, Appied Physics Letters, 60, 1507 (1992). [6] Levine, B. F.; Zussman, A.; Gunapala, S. D.; Asom, M. T.; Kuo, J. M. et al; Photoexcited escape probability, optical gain and noise in quantum well infrared Photodetectors, Journal of Applied Physics, 72, 4429 (1992). [7] Liu, H. C.; Dependece of absortion spectrum and responsivity on the upper state position in quantum well intersubband photodetectors, Journal of Applied Physics, 73, 3062 (1993). [8] Tanaka, R. Y.; Passaro, A.; Abe, N. M.; Vieira, G. S.; A self-consistent analysis of subband alignment in a superlattice with one larger well, International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics, 33, 217 (2010). [9] Tanaka, R.Y.; Passaro, A.; Abe, N. M.; Villas-Boas, J.M.; Vieira, G.S.; Stephany, S.; Software tools for the design and analysis of quantum well, quantum wire and quantum dot devices, Proceedings of 2007 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 914 (2007). [10] Schönbein, C.; Schneider, H.; Rehm, R.; Walther, M.; Noise gain and detectivity of ntype GaAs/AlAs/AlGaAs quantum well infrared photodetectors, Applied Physics Letters, 73, 1251 (1998). Art.36 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.195-200, 2013 200 DETECÇÃO DE PISTA DE POUSO DE CONCRETO OU ASFALTO EM IMAGENS DE MÉDIA E ALTA RESOLUÇÃO UTILIZANDO FEIÇÕES HAAR-LIKE EM CASCATA J. E. C. Cruz1*, E. H. Shiguemori2, L. N. F. Guimarães3 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, São José dos Campos – SP. 2 Instituto de Estudos Avançados – IEAv, Divisão de Geointeligência, S. J. dos Campos - SP 3 Instituto de Estudos Avançados – IEAv, Divisão de Energia Nuclear, S. J. dos Campos - SP * [email protected] 1 Palavras-chave: VANT, processamento de imagens, reconhecimento de padrões, visão computacional Introdução Imagens de satélite de média ou alta resolução espacial permitem que a maioria dos objetos possam ser identificados por especialistas. Alguns objetos são de fácil reconhecimento visual, outros somente com experiência adquirida ao longo do tempo. No entanto, hoje em dia muitas aplicações apresentam a necessidade de realizar o reconhecimento automático de objetos presente nessas imagens. Um exemplo de uso dessa abordagem é em plataformas VANTs (Veículo Aéreo Não Tripulado) que atualmente estão passando por um forte crescimento, principalmente pela utilização em aplicações militares, policiais e civis [1]. Reconhecimento de pistas de pouso é uma tarefa importante a ser desempenhada em VANTs, pois estes podem utilizar para pouso, combate ou procedimento de autolocalização [2]. Geralmente, grandes e médias cidades e bases aéreas possuem pistas de pouso feitas de concreto ou asfalto. A fim de realizar reconhecimento de pistas de pouso, feições Haar-like em cascata foram utilizadas neste trabalho. Essa abordagem tem sido utilizada com mais frequência em outras áreas de aplicação, como será apresentado na Seção 2. Além da possível utilização em sistemas autônomos, uma abordagem de detecção automática possui a vantagem de se eliminar total ou parcialmente o emprego de um operador humano em aplicações de fins gerais. Para um humano a detecção de objetos em imagens aéreas ou orbitais é cansativo e altamente suscetível a erro, pois além de ser uma tarefa entediante, há geralmente uma grande quantidade de informação a ser analisada, e ainda, em certos casos, há a necessidade de que o responsável pela tarefa tenha sido especialmente capacitado para o devido fim. As principais dificuldades encontradas na detecção automática de objetos nas abordagens utilizadas são que as imagens foram obtidas por diferentes tipos de sensores, os objetos podem estar em diferentes poses e podem também ter sofrido transformações geométricas, entre outros. Trabalhos Relacionados Desde a sua criação, as feições Haar-like em cascata, tem mostrado ser um classificador robusto e é considerado ser uma abordagem de propósito geral apesar da maioria das utilizações serem para o reconhecimento de feições humanas, especialmente para a detecção de faces. O primeiro trabalho a empregar as feições Haar-like em cascata para a detecção de objetos foi [3], e subsequentemente a robustez dessa abordagem foi demonstrado no trabalho [4]. A fim de se criar um detector de faces mais robusto e ao mesmo tempo rápido, [5] propôs uma abordagem com três estágios, onde um dos estágios empregava-se Haar-like em cascata. No trabalho [6] propõese um método para se reduzir drasticamente os falsos positivos no II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.201-205, 2013 201 processo de reconhecimento, onde primeiro descobri-se estatisticamente a região em que cada feição mais aparece e em seguida, aplica-se Haar-like em cascata somente em determinadas regiões. Devido ao alto custo computacional do treinamento da cascata de classificadores, [7] propõe uma abordagem que agiliza o treinamento como também a classificação em aplicações de reconhecimento facial. Propondo um detector de faces que possui dois estágios, [8] emprega o Haar-like em cascata no primeiro estágio, utilizando, assim uma outra abordagem para realizar a confirmação no segundo estágio. Há, no entanto, outros trabalhos que executam a detecção ou reconhecimento de objetos em que estes não sejam faces. Em [9] propõe-se um sistema de dois estágio de reconhecimento de gestos manuais, onde Haar-like em cascata é utilizado no primeiro estágio para realizar a detecção das diferentes poses. Existem também trabalhos que empregam o uso de imagens de VANTs, como em [10] e [11] em que se realiza o reconhecimento de perfis humanos ou carros tanto em imagens óticas quanto termais. Existem trabalhos que visam reconhecer especificamente pistas de pouso, mas que utilizam outras abordagens. Devido ao fato de que uma pista de pouso é uma linha reta, alguns trabalhos empregam o operador Canny em conjunto com a transformada de Hough para tal tarefa[12,13,14]. Feições Haar-like em cascata Feições Haar-like são atributos extraídos de imagens e possuem esse nome devido a similaridade com wavelets Haar [15]. Em [16] foi proposto a utilização dessas feições ao invés de operar diretamente com os níveis de cinza ou de cor dos pixels[3]. O processo começa somando-se o valor dos pixels nas regiões positivas e negativas do filtro, ou seja, a região branca e preta respectivamente que podem ser vistas na Figura 1. O resultado da subtração da região positiva pela região negativa é utilizado para categorizar as sub-regiões em uma imagem. Uma única feição é considerada um classificador fraco, mas quando colocada em cascata, a combinação se torna um classificador forte (Figura 2) com um alto poder de discriminação, capaz de detectar estruturas independente a iluminação, cor ou escala [4]. Apesar de parecer que o método executa uma busca exaustiva, a arquitetura interna possibilita uma rejeição precoce com o mínimo de avaliação possível, diminuindo, assim, drasticamente o custo computacional. Isto é baseado no fato que a maioria das janelas de detecção são negativas e existem “poucas” janelas que conseguem passar por todas as etapas. Portanto, o poder computacional é focado nas janelas que possuem a maior probabilidade de ser positivas, uma vez que elas já passaram pelos estágios iniciais da árvore de decisão [9,3]. Em qualquer janela dentro da imagem, existe um número enorme de feições Haar-like. É necessário, portanto, durante a fase de treinamento, focar em um conjunto pequeno de feições cruciais, no intuito de melhorar significativamente a velocidade de classificação sem afetar a precisão. Boosting[17], um algoritmo de aprendizado muito eficaz e com alto poder de generalização, é então responsável por resolver esse problema[3]. Figura 1. Feições Haar-like [20]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.201-205, 2013 202 Figura 2. Classificador de Feições Haar-like em cascata. Metologia Dois conjuntos de treinamento foram utilizados. O primeiro é composto de imagens com alta resolução espacial, onde 2040 amostras são positivas (Figura 3) e 1600 negativas. Todas as imagens foram obtidas através da aplicação Google Maps[18] onde as amostras positivas continham pistas de pouso de concreto e asfalto de diferentes partes do mundo. Um fato importante a se destacar é que essas imagens possuem marcas d’água com o logotipo do Google e o ano de captura da imagem, distribuídas por toda a imagem. O segundo conjunto é composto de imagens com média resolução espacial, onde 1200 amostras são positivas (Figura 4) e 1000 negativas. Todas as amostras foram recortadas de imagens da banda pancromática do Landsat-7 e eram de pistas de pouso de cidades brasileiras. Nos procedimentos que envolviam esse conjunto de dados, treinamento e classificação, se viu a necessidade de realizar uma equalização de histograma devido ao baixo contraste presente nas amostras. Ambos os conjuntos positivos foram construídos rotacionando os recortes originais 40 vezes, 9 graus cada vez. Devido a limitações de memória, o tamanho da amostra positiva deve ser no máximo 50x50 pixels. Dois tamanhos foram então utilizados, o tamanho máximo (50x50px) e 32x32 pixels. As amostras negativas não foram redimensionadas, pois durante o estágio de treinamento fragmentos são extraídos sistematicamente das amostras desse conjunto. Figura 3. Amostras positivas do conjunto de treinamento de imagens de alta resolução[18]. Figura 4. Amostras positivas do conjunto de treinamento de imagens da banda pancromáticas do Landsat-7[19]. O classificador feições Haar-like em cascata foi treinado com 20 estágios, taxa mínima de acerto de 0,999 por estágio e utilizou-se Gentle AdaBoost como algoritmo de boosting[20]. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.201-205, 2013 203 Resultados Duas métricas [21] foram utilizadas para medir a performance dos classificadores gerados. As métricas são: Taxa de Acerto (Eq. 1) e Precisão (Eq. 2). TA VP VP FN (1) VP (2) VP FP onde Verdadeiro Positivo (VP) são pistas de pouso corretamente reconhecidos, Falsos Positivos (FP) são regiões da imagem que foram erroneamente classificadas como pista de pouso e Falsos Negativos (FN) são pistas de pouso não reconhecidas. Para o teste de classificação, 46 imagens, contendo 46 pistas de pouso no total, foram processadas pelos classificadores específicos de alta resolução (HR) e 30 imagens, contendo 30 pista de pouso no total, foram processadas pelos classificadores específicos de média resolução (MR). Os resultados de classificação e os índices de performance são mostrado na Tabela 1. Tabela 1. Resultado da classificação. Conjunto VP TA FP FN Precisão HR 32px 37 80.4% 27 9 57.8% HR 50px 38 82.6% 10 8 79.2% MR 32px 9 30% 21 21 30% MR 50px 8 26.7% 22 22 27% Precisão Conclusão Neste trabalho, é proposto uma abordagem para o reconhecimento de pistas de pouso de concreto e asfalto utilizando feições Haar-like em cascata aplicadas a imagens de alta e média resolução espacial. Nos trabalhos anteriores foram obtidos ótimos resultados e neste trabalho confirma sua aplicabilidade para a detecção de pistas de pouso, especialmente em imagens de alta resolução. Há alguns pontos a se destacar a respeito da performance de classificação: a taxa de acerto no conjunto de média resolução foi extremamente baixa e a precisão do classificador HR 50px foi muito melhor do que o classificador HR 32px. A possível explicação para os pontos levantados é a resolução das imagens. A falta de detalhes críticos nas pistas de pouso, é uma possível explicação porque os classificadores de média resolução tiveram uma performance tão pobre. Um outro ponto a se notar é que as marcas d’água presentes nas imagens de treinamento de alta resolução tiveram pouco ou nenhum impacto na performance do classificador, devido principalmente à arquitetura interna do classificador. Referências [1] Nonami, K., Kendoul, F., Suzuki, S., Wang, W., and Nakazawa, D. (2010). Autonomous Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles. Springer. [2] Rodrigues, R., Shiguemori, H., Forster, C., and Pellegrino, S. (2009). Color and Texture Features for Landmarks Recognition on UAV Navigation. Anais do XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. [3] Rodrigues, R., Shiguemori, H., Forster, C., and Pellegrino, S. (2009). Color and Texture Features for Landmarks Recognition on UAV Navigation. Anais do XIV Simpósio Brasileiro de Sensoriamento Remoto. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.201-205, 2013 204 [4] Viola, P. and Jones, M. (2001). Rapid object detection using a boosted cascade of simple features. In 2001 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, volume 1, pages 511–518, Los Alamitos, CA, USA. IEEE Comput. Soc. [5] Xiao, R., Li, M.-J., and Zhang, H.-J. (2004). Robust multipose face detection in images. Circuits and Systems for Video Technology, IEEE Transactions on, 14(1):31 – 41. [6] Wilson, P. I. and Fernandez, J. (2006). Facial feature detection using Haar classifiers. J. Comput. Small Coll., 21(4):127–133. [7] Pham, M.-T. and Cham, T.-J. (2007). Fast training and selection of haar features using statistics in boosting-based face detection. In Computer Vision, 2007. ICCV 2007. IEEE 11th International Conference on, pages 1 –7. [8] Paliy, I. (2008). Face Detection Using Haar-like Features Cascade and Convolutional Neural Network. International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science. [9] Chen, Q., Georganas, N. D., and Petriu, E. M. (2007). Real-time Vision-based Hand Gesture Recognition Using Haar-like Features. In Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings, 2007. IMTC 2007. IEEE, pages 1–6. [10] Breckon, T., Barnes, S., Eichner, M., and Wahren, K. (2009). Autonomous Real-time Vehicle Detection from a Medium-Level UAV. Proc. 24th International Conference on Unmanned Air Vehicle Systems. [11] Gaszczaka, A., Breckon, T., and Hana, J. (2011). Real-time People and Vehicle Detection from UAV Imagery. Proc. SPIE Conference Intelligent Robots and Computer Vision XXVIII: Algorithms and Techniques. [12] Wang, X., Li, B., and Geng, Q. (2012). Runway Detection and Tracking for Unmanned Aerial Vehicle Based on an Improved Canny Edge Detection Algorithm. 4th International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC), 2012, pages 149 – 152. [13] Di, N., Zhu, M., and Wang, Y. (2008). Real time method for airport runway detection in aerial images. International Conference on Audio, Language and Image Processing, 2008. ICALIP 2008., pages 563 – 567. [14] Liu, D., He, L., and Carin, L. (2004). Airport detection in large aerial optical imagery . IEEE International Conference onAcoustics, Speech, and Signal Processing, 2004. Proceedings. (ICASSP ’04)., pages 761 – 764. [15] Haar, A. (1910). Zur theorie der orthogonalen funktionensysteme. Mathematische Annalen, 69:331–371. [16] Papageorgiou, C., Oren, M., and Poggio, T. (1998). A General Framework for Object Detection. International Conference on Computer Vision. [17] Freund, Y. and Schapire, R. (1995). A decision-theoretic generalization of on-line learning and an application to boosting. In Vitányi, P., editor, Computational Learning Theory, volume 904 of Lecture Notes in Computer Science, pages 23–37. Springer Berlin / Heidelberg. [18] Google Maps (2013). Google. http://maps.google.com. [19] INPE/DGI (2013). Divisão de Geração de Imagens. http://www.dgi.inpe.br. [20] Lienhart, R., Kuranov, A., and Pisarevsky, V. (2003). Empirical Analysis of Detection Cascades of Boosted Classifiers for Rapid Object Detection. Pattern Recognition, pages 297– 304. [21] Fawcett, T. (2006). An introduction to ROC analysis. In ROC Analysis in Pattern Recognition, volume 27, pages 861–874. Elsevier Science Inc., New York, NY, USA. Art.37 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.201-205, 2013 205 ESTUDO DA REFLECTÂNCIA DE MATERIAIS NA REGIÃO DO VISÍVEL E INFRAVERMELHO PRÓXIMO DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO1 P. S. Silva Jr.1,2*; M. S. Moraes1,2; R. M. Castro1,2 Universidade de Taubaté - Departamento de Matemática e Física, Taubaté – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: Sensoriamento Remoto, Assinatura Espectral, Comprimento de Onda, Radiação Eletromagnética. Introdução O Sensoriamento Remoto é a tecnologia que utiliza um sensor remoto para coletar e processar informações de superfícies, sem que ocorra contato físico direto [1]. Estes dados podem ser obtidos de forma: a) passiva, com sistemas de sensores ópticos (com um número variado de sensores: multiespectral, hiperespectral, etc.); e b) ativa, com um radar ou sonar, por exemplo. As informações coletadas são fornecidas em resoluções: espacial (medida da menor separação angular e linear entre dois objetos), espectral (número de intervalos de comprimentos de onda específicos no espectro eletromagnético), temporal (refere-se à quão frequentemente o sensor registra os dados), e radiométrica (sensibilidade do detector a potência do sinal quando ele está registrando o fluxo radiante refletido, emitido ou retroespalhado) [1]. Mais especificamente, na faixa do espectro eletromagnético óptico (visível, infravermelho próximo e infravermelho médio), a radiação proveniente de um determinado material (quando a sua temperatura é da ordem de 300 K) é, predominantemente, a refletida. Com isto uma das grandezas de interesse no sensoriamento remoto óptico é a curva reflectância, também chamada de assinatura espectral, ou seja, a reflectância em função dos diferentes comprimentos de onda. Esta curva é considerada como uma “identidade” dos objetos ou corpos encontrados na natureza, pois as respostas espectrais encontradas são diferentes para cada uma dessas substâncias [1]. Para que essas assinaturas espectrais sejam estudadas, a reflectância (representada pela letra grega que é definida pela razão da quantidade de fluxo radiante refletido pela área de estudo, pelo fluxo radiante incidente sobre essa superfície, deve ser conhecida e obtida por meio de medições realizadas em laboratório ou em campo. A reflectância é uma grandeza adimensional, variando entre 0 e 1 para todos os materiais e na literatura ela é fornecida de forma percentual [1]. Esta grandeza também pode ser determinada para um comprimento de onda específico . Com isto obtemos a reflectância espectral, , que é a quantidade de fluxo radiante refletido refletido , dividida pelo fluxo radiante incidente sobre essa superfície, incidente , , em um determinado comprimento de onda: refletido , incidente , 1 Projeto: Assinaturas espectrais na região do infravermelho-termal para caracterização de sensores eletroópticos a bordo de satélites. Edital MCT/CNPq/AEB nº 33/2010. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 206 Para representar corretamente a reflectância de um material, os ângulos (azimutais e zenitais) de incidência e reflexão da radiação eletromagnética devem ser considerados. Com isso, obtemos o Fator de Reflectância Bidirecional (i,i,r,r), como apresentado na Figura 1 [1]. Figura 1: Relações angulares da Função de Distribuição da Reflectância Bidirecional [2]. Este projeto tem por objetivo iniciar o desenvolvimento de uma metodologia para a determinação de assinaturas espectrais de superfícies, mais especificamente do Fator de Reflectância Bidirecional, (i,i,r,r), na região do espectro eletromagnético do visível e infravermelho próximo, ou seja, comprimentos de onda entre 400 e 2500 nm. Entretanto, para esta etapa do projeto espera-se conhecer os equipamentos (suas principais características e limitações) e o arranjo experimental a ser utilizado, além de selecionar os materiais de interesse, bem como as condições de contorno para a realização das medições destes materiais. Além disso, como objetivo secundário, busca-se identificar materiais que possam ser utilizados na caracterização de sensores eletroópticos, aeroembarcados e a bordo de satélites, em campo. Metodologia Para a realização das medições de reflectância, foram utilizados: a) um espectrorradiômetro FieldSpec Pro da ASD [3], que é “alimentado” por meio de bateria (que pode, ou não, estar conectada a rede elétrica) com autonomia de aproximadamente 3 h, quando desconectado da rede elétrica. A aquisição de dados era controlada de forma automática por um notebook; b) uma lâmpada halógena de tungstênio de 50 W, montada em um suporte com fonte de tensão própria, conectado a rede elétrica; e c) uma placa de Spectralon [4] como referência. Em geral a geometria de aquisição de dados foi montada conforme a Figura 2. Neste arranjo o sensor do espectrorradiômetro era apontado ao nadir (verticalmente para baixo) e posicionado a uma distância de 30 cm do material a ser estudado. A fonte luminosa, lâmpada de tungstênio, era posicionada obliquamente a 60o graus do material. Inicialmente, realizaram-se medições para verificar o comportamento da reflectância na placa de Spectralon, utilizada como referência, e em cartolinas de diversas cores para verificação e interpretação das assinaturas espectrais desses materiais, além de obter um contato inicial com os equipamentos utilizados. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 207 Figura 2: Arranjo utilizado nas medições de reflectância. Para verificar o comportamento, tanto dos equipamentos quanto da reflectância de materiais específicos, ao longo do tempo, foram realizadas medições na geometria fixa, por aproximadamente 2 horas. Para essas medições, além do arranjo descrito anteriormente, foram utilizados outros equipamentos para acompanhar parâmetros da aquisição dos dados. Dentre os equipamentos utilizados podemos citar: a) um termohigrômetro, da marca Delta Ohm, com datalog automático, para medição de temperatura e umidade do ar; b) um termohigrômetro, da Oregon Scientific, para medição de temperatura e umidade do ar, com as informações anotadas manualmente; c) Um voltímetro e um amperímetro da MINIPA foram utilizados nas medições da tensão e da corrente da lâmpada halógena; e d) Um voltímetro, da marca MASTECH, para verificar a tensão e a frequência da rede elétrica. Como materiais de estudo da reflectância de eventuais superfícies de referências foram escolhidos: a) uma cartolina branca; e b) uma placa metálica de CPU. A escolha destes materiais foi baseada na facilidade de obtenção, ou seja, ao fácil acesso para que os experimentos (tanto em laboratório quanto, em um futuro, em campo) sejam realizados, também para verificar se há possibilidade de serem utilizados como eventuais referências para medições futuras. Também foram estudadas: a) algumas folhas de árvore para análise do estresse hídrico, verificando o comportamento espectral delas em função do tempo, e consequentemente, em relação à perda de água quando iluminadas durante as medições; e b) uma telha cerâmica, analisando a reprodutibilidade do arranjo experimental. Resultados e Discussão Como resultado das medições iniciais da reflectância de superfícies de referência, utilizando uma placa de Spectralon, uma cartolina branca e uma placa metálica pintada (placa de uma lateral de CPU), obteve-se a Figura 3. Como mencionado anteriormente, os dois materiais de estudo foram escolhidos por serem de fácil acesso, possibilitando a sua utilização em uma eventual calibração em campo. Entre as características desejadas para estes materiais estão: a) uma alta refletância, em todo o espectro; e b) estabilidade da assinatura espectral ao longo do tempo. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 208 1,0 Reflectância 0,8 0,6 0,4 Placa de Spectralon Cartolina Branca Placa Metálica Pintada 0,2 0,0 500 1000 1500 2000 2500 Comprimento de Onda (nm) Figura 3. Gráfico da Curva (média de 3 medições) da reflectância de: uma placa de Spectralon, uma cartolina branca e uma placa metálica pintada (placa de uma lateral de CPU). Analisando resultados apresentados na Figura 3, verifica-se que a cartolina branca seria, eventualmente, o melhor material para a utilização como referência, visto que sua reflectância é superior a da placa metálica pintada. Entretanto, leventou-se a hipótese que a cartolina poderia possuir um umidade variável ao longo do tempo e que, consequentemente, a sua reflectância poderia ser alterada, tornarndo inviável a sua utilização. Para verificar esta hipótese, foi realizada a análise da reflectância da cartolina branca e da placa metálica pintada ao longo do tempo. Na Figura 4 está apresentado o resultado das medições no comprimento de onda de 550 nm. 1,02 Reflectância 1,01 1,00 0,99 Cartolina Branca Placa Metálica 0,98 0 50 100 150 200 250 Medição Figura 4. Gráfico da reflectância relativa em função do número da medição de: uma placa metálica pintada e uma cartolinha branca, no comprimento de onda de 550 nm. Foram realizadas aproximadamente 240 medições (uma a cada 30 s). A reflectância relativa é obtida calculando a razão entre o valor reflectância e o valor reflectância na primeira medição. A partir das medições verificou-se que os resultados apresentaram flutuações, em geral inferiores a 1%, sendo ligeiramente inferiores na placa metálica. Entretanto, em alguns comprimentos de onda (ou regiões espectrais), estas variações possuiam um comportamento sistemático e não aletório. Para verificar se este comportamento podia ser atribuído a variações nas condições experimentais, tais como: tensão de alimentação dos equipamentos, II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 209 temperatura, umidade relativa do ar, etc., estes parâmetros foram acompanhados durante as medições ver Figura 5. 23,0 Temperatura (°C) 22,5 22,0 21,5 21,0 126,0 Tensão (V) 125,5 125,0 124,5 124,0 12:48 13:12 13:36 14:00 14:24 14:48 15:12 Horário (h:min) Figura 5. Gráficos da Temperatura e Tensão em função do horário da medição da reflectância da placa metálica, apresentada na Figura 4. Analisando o comportanto da reflectância ao longo do tempo, para estes materiais na faixa espectral de 350 a 2000 nm, não foi possível correlacionar aos parâmetros em que os experimentos foram realizados. Com isto, as flutuações observadas foram atribuídas ao comportamento do espectrorradiômetro. Consequentemente, estas variações devem ser levadas em consideração nas incertezas experimentais. Em seguida, foram feitas análises com materiais de interesse ao sensoriamento remoto, em função do tempo. Das superfícies que foram estudadas, na Figura 6 são apresentados os resultados obtidos em três séries de medições do material cerâmico (telha). 0,9 0,8 0,7 Reflectância 0,6 0,5 0,4 0,3 Medição 1 Medição 2 Medição 3 0,2 0,1 0,0 500 1000 1500 2000 2500 comprimento de onda (nm) Figura 6: Gráfico da reflectância de três séries de medições de uma telha, realizadas em dias diferentes, para testar a reprodutibilidade do arranjo experimental. Analisando o gráfico da Figura 6 é possível observar que a variação entre as séries de das medições é da ordem de 20%. Mesmo levando em consideração que a superfície da telha não II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 210 é homogênea a reprodutibilidade do sistema foi não foi adequada, indicando a geometria de aquisição dos dados é muito importante e que pequenas variações são significativas. Conclusões Neste trabalho, estudou-se a estabilidade da reflectância de dois materiais, uma cartolina branca e uma chapa metálica pintada, ao longo do tempo. Foi verificado que as variações, em certas regiões do espectro eletromagnético, foram de até 1 % em duas horas de medição. Ademais, a variação obtida foi sistemática, o que pode comprometer os resultados de algumas medições. Tentou-se correlacionar estas variações com o comportamento dos parâmetros experimentais (tais como: tensão, temperatura, umidade, etc.), entretanto não foi possível, dentro dos parâmetros acompanhados, identificar um que pudesse ser o mais significativo nas variações observadas. Com isto estas variações devem ser levadas em consideração nas incertezas experimentais. Com as medições realizadas foi possível verificar que a placa metálica pintada é o melhor material para se utilizar como referência em experimentos no laboratório, pois as variações obtidas são ligeiramente menores que as da cartolina e não possuem o, eventual, problema de reter umidade. Entretanto, deve-se estudar melhor a influência da reflexão especular nas medições. É conveniente lembrar que a placa de Spectralon é considerada a melhor referência para medições de reflectância, mas é um material muito caro para recobrir áreas extensas. Já no estudo da reprodutibilidade do arranjo experimental, verificou-se que pequenas alterações na geometria de aquisição de dados podem alterar significativamente os resultados obtidos. Considerando todas as medições realizadas até o momento, conclui-se que as justificativas para as variações observadas podem estar relacionadas principalmente com o equipamento, no caso o espectrorradiômetro, utilizado nessas medições. No entanto, o objetivo do projeto ainda não foi concluído, pois ainda serão estudados outros materiais de interesse ao Sensoriamento Remoto e as medições realizadas serão acompanhadas, se possível, pela determinação de outros parâmetros experimentais. Agradecimentos Os Autores agradecem ao CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica e ao IEAv pela oportunidade de desenvolver o trabalho. Referências [1] JENSEN, J. R. Sensoriamento remoto do ambiente: uma perspectiva em recursos terrestres. 2. ed. São José dos Campos: Parêntese, 2009. 598 p. [2] PINTO, C. T. Avaliação das incertezas na caracterização de superfícies de referência para calibração absoluta de sensores eletroópticos. 2011. 167 p. (sid.inpe.br/mtcm19/ 2011/03.30.18.09-TDI). Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2011. Disponível em: <http://urlib.net/8JMKD3MGP7W/39E3LH2>. Acesso em: 22 out. 2012. [3] ANALYTICAL SPECTRAL DEVICES, Inc. (ASD). User'sGuide. Boulder, Colorado, USA: AnalyticalSpectralDevices, 2002. 136 p. [4] LABSPHERE INC. Setting the standard in light measurement: product guide. 2008/2009. Sutton, New Hampshire, USA: Labsphere. Disponível em: <http://www.laser2000.se/fileadmin/Produktgruppenkataloge/Labsphere%20Product%2 0Guide_2008_2009.pdf >. Acesso em: 10/fev/2013 Art.38 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013 211 CARACTERIZAÇÃO DA DETONAÇÃO PULSADA POR EMISSÃO COM RESOLUÇÃO TEMPORAL1 J. B. R. Santos1; C. S. T. Marques2 UNESP – Engenharia Mecânica, Guaratinguetá – SP 2 IEAv – Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP [email protected] /[email protected] 1 Palavras-chave: emissão luminosa, tempo de ciclo, célula de detonação, PDE. Introdução O motor a detonação pulsada (PDE) tem sido relacionado a regimes de voo subsônico, supersônico e hipersônico, sendo mais promissora a sua utilização no desenvolvimento de motores hipersônicos do tipo scramjet (supersonic combustion ramjet,[1]). Para tal, a obtenção de uma detonação consistente e repetitiva na menor distância possível a fim de minimizar o peso do sistema ainda é necessária para a viabilização deste dispositivo. As frentes de detonação reais possuem uma estrutura celular tridimensional transiente. Durante a expansão dessa onda, há pontos denominados “pontos triplos”, nos quais a taxa da reação é máxima [2]. Esses pontos se movem espacialmente formando as células (Figura 1). Figura 16. Estrutura celular de detonação e largura da célula de detonação (λ)[3]. O tamanho das células está relacionado com a velocidade da onda de detonação. Sua regularidade reflete a estabilidade da reação. Quanto menor o tamanho das células de detonação, maior a velocidade de propagação da reação e, consequentemente, menor o tempo de ciclo do PDE. E, ainda, quanto menor o tempo de ciclo maior a taxa de repetição do motor. Neste trabalho, são apresentados cálculos dos tamanhos de célula e dos tempos de ciclo. Também foram medidos os tempos de ciclo do PDE, através da obtenção das medidas de emissão com resolução temporal da H2O*. Além disso, foram obtidas medidas de emissão ao redor de 450 nm para a determinação das dimensões da célula de detonação. Nomenclatura C0 DCJ LC Li LPDE 1 = Velocidade do som para a mistura [cm / s]; = Velocidade de CJ [cm / s]; = Comprimento da célula de detonação [cm]; = Comprimento de indução da reação [cm]; = Comprimento total do dispositivo (com tubeira); LPDE = 198,2 cm; n tI tII tIII τi = Constante; 5 ≤ n ≤ 10; considerou-se n = 10; = Tempo para passagem da onda de choque inicial e início da exaustão [s]; = Tempo de retorno da onda de rarefação [s] = Tempo até exaustão final [s]; = Tempo da zona de indução [s]; Projeto: Estudo da Detonação Pulsada por Técnicas Ópticas de Diagnóstico (FAPESP) II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 212 Ltubo = Comprimento do tubo; Ltubo = 152,0 cm; MCJ = Número de Mach da detonação; λ γ = Largura da célula de detonação [cm]. = razão dos calores específicos. Metodologia Cálculo das dimensões da célula de detonação Para o cálculo do tamanho das células de detonação, foram utilizados os dados obtidos através das escalas ZND (Zel’dovich-Neumann-Döring). O modelo ZND considera uma detonação em uma dimensão, com uma onda de choque pontual seguida de uma zona de reação finita. Pelos perfis de termicidade, os tempos de indução da reação, necessários para o cálculo, foram determinados, como mostram as equações [4] abaixo: (1) (2) (3) As larguras das células obtidas através do tempo da zona de indução foram comparadas às obtidas através de um modelo semi-empirico [5]. O modelo semiempírico foi aplicado através das rotinas cedidas pelo Dr. Gravikov do Instituto Kurchatov, o qual tem como entradas as razões de equivalência da mistura, a velocidade de detonação de Chapman-Jouguet (DCJ) e a pressão e temperatura iniciais e como saídas a largura da célula de detonação, a energia de ativação efetiva e a energia química liberada. Sendo as duas últimas parâmetros de estabilidade da reação. A partir da largura da célula de detonação, estimou-se também o comprimento da célula de detonação, através da equação (3). Cálculo dos tempos de ciclo do PDE O tempo de ciclo do PDE foi calculado através do modelo analítico de Endo-Fujiwara [6], que considera um tubo de seção transversal constante, fechado em uma das extremidades e aberto em outra, inicialmente preenchido com uma mistura detonável homogênea à pressão constante. Os gases, para simplificação dos cálculos, são tratados como politrópicos. A ignição inicia o processo de detonação, a partir da extremidade fechada do tubo, criando uma onda de alta pressão que viaja a velocidade CJ, seguida por uma onda de rarefação. O tempo de t = 0 até t = tI é denominado fase de combustão. Em tI inicia-se outra onda de rarefação, porém em sentido contrário, diminuindo a pressão interna até uma pressão muito menor do que a inicial (t = tII). A exaustão total dos gases ocorre durante tI < t< tIII. O tempo total do ciclo PDE “single-shot” (onde não há recarga da mistura) é, portanto, tciclo = tI + tII + tIII. (4) (5) (6) Os valores de DCJ e γ foram calculados previamente [7]. Após o cálculo inicial dos valores de tII e tIII, estes foram corrigidos considerando-se a aceleração existente na tubeira para posteriormente recalcular-se o valor de tempo de ciclo. Arranjo experimental O sistema de detonação pulsada fabricado no IEAv, para simular as condições de combustão reais de um PDE, é composto por um sistema de ignição, um tubo de detonação sem obstáculos, uma tubeira divergente e uma câmara de teste. Uma descrição detalhada do sistema foi realizada anteriormente [7]. Execução dos testes de detonação da mistura H2/ar Para a preparação dos testes, foram utilizados diafragmas de Mylar aluminizado de 50 µm de espessura colocados entre dois anéis de alumínio de 0,55mm de espessura cada, separando-se II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 213 assim, a câmara de combustão e a de testes. Estando todo o sistema hermeticamente fechado abria-se a linha de vácuo e a pressão, em ambas as câmaras, era controlada até chegar a aproximadamente 5x10-2 mmHg, tomando-se o cuidado de manter equalizada as pressões nas diferentes câmaras para o Mylar vedar adequadamente. O tubo de detonação foi preenchido com a mistura explosiva H2/ar, a uma pressão inicial de 1,0 atm na condição estequiométrica, nas pressões parciais de 225 mmHg de H2 e 535 mmHg de ar. A mistura explosiva é homogeneizada por difusão molecular durante 1h. Após a ignição da vela automotiva por um pulso de alta tensão (25kV), inicia-se a detonação do combustível. A onda de choque acoplada a frente de combustão rompe o diafragma e se propaga até a câmara de testes. Aquisição das medidas de emissão Para a aquisição das medidas em ~450 nm com a resolução espacial necessária para a determinação do comprimento da célula de detonação no tubo de detonação, aplicou-se uma fenda de 2 x 4 mm e uma lente plana-convexa ( = 25 mm e F = 250 mm) com o foco incidente na parede posterior do tubo. Após cuidadoso alinhamento, utilizando-se um laser de He-Ne, a emissão ao redor de 450 nm, em função do tempo, foi detectada pela fotomultiplicadora e registrada em um osciloscópio de 500 MHz. Resultados e Discussões Cálculo das dimensões das células de detonação Os tamanhos das células de detonação obtidos são apresentados nos gráficos abaixo: 4,5 2,0 1,9 Mistura Estequiométrica 1,8 1,7 ZND Modelo Semi-Empirico 1,6 3,5 1,5 ZND Modelo Semi-Empirico 3,0 1,4 [cm] 1,3 [cm] Pressão Ambiente 4,0 1,2 1,1 2,5 2,0 1,0 1,5 0,9 0,8 1,0 0,7 0,6 0,5 0,5 0,4 0,6 0,8 1,0 P0 [atm] 1,2 1,4 1,6 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Figura 2. Gráficos do tamanho das células detonação em função da pressão inicial e da razão de equivalência (). Embora os gráficos apresentem apenas os valores da largura da célula de detonação (λ), estes são diretamente proporcionais aos de comprimento (LC). Ressalta-se que os dados calculados com o modelo semiempírico são mais próximos aos experimentais da literatura [3]. Cálculo dos tempos de ciclo do PDE Foram calculados os tempos de cada etapa da propagação da onda de detonação, assim como o tempo de ciclo, para pressões iniciais de 0,5 / 1,0 e 1,5 atm e razões de equivalência de 0,6 / 0,8 / 1,0 / 1,2 e 1,4, conforme Tabela 1. Os valores de Ux referem-se à velocidade na saída da tubeira, após aceleração e estas foram utilizadas para o cálculo do tempo de ciclo com aceleração. Pode-se notar que o tempo de ciclo não possui variação significativa para diferentes pressões iniciais (Figura 3). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 214 Tabela 1: Tempos de ciclo sem (seção constante) e com aceleração para diferentes pressões iniciais e razões de equivalência (). AR é a razão das áreas da tubeira. Misturas explosivas de H2/ar P1 / atm 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 DCJ / m s-1 1704,0 1853,1 1953,5 2015,4 2056,2 1707,5 1862,7 1968,5 2030,4 2069,2 1709,2 1867,7 1976,8 2038,5 2076,0 1,2136 1,1775 1,1575 1,1617 1,1744 1,2185 1,1847 1,1635 1,1692 1,1832 1,2210 1,1888 1,1669 1,1737 1,1883 AR = 5.2 / -1 ms 2147,9 2351,6 2499,6 2574,8 2621,1 2145,7 2355,6 2510,3 2583,8 2627,6 2145,8 2357,4 2516,1 2588,2 2630,5 Seção constante tI / ms 1,784 1,640 1,556 1,508 1,478 1,780 1,632 1,544 1,497 1,469 1,779 1,628 1,538 1,491 1,464 tII / ms 4,653 4,278 4,058 3,934 3,856 4,643 4,256 4,027 3,905 3,831 4,638 4,245 4,011 3,889 3,819 tIII / ms 8,985 8,210 7,761 7,528 7,395 8,974 8,178 7,710 7,482 7,360 8,969 8,162 7,682 7,458 7,342 Aceleração pela tubeira tciclo / ms 15,42 14,13 13,38 12,97 12,73 15,40 14,07 13,28 12,88 12,66 15,39 14,03 13,23 12,84 12,63 tI*/ ms 1,784 1,640 1,556 1,508 1,478 1,780 1,632 1,544 1,497 1,469 1,779 1,628 1,538 1,491 1,464 tII*/ ms 3,691 3,371 3,172 3,079 3,025 3,695 3,366 3,158 3,068 3,017 3,695 3,363 3,151 3,063 3,014 tIII*/ ms 7,128 6,470 6,065 5,893 5,801 7,141 6,467 6,046 5,880 5,796 7,144 6,466 6,035 5,874 5,795 tciclo* / ms 12,60 11,48 10,79 10,48 10,30 12,62 11,46 10,75 10,45 10,28 12,62 11,46 10,72 10,43 10,27 13.0 12.5 P1 = 1,5atm P1 = 1,0atm P1 = 0,5atm TCiclo [ms] 12.0 11.5 11.0 10.5 H2 / ar AR = 5.2 10.0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 Figura 3: Gráfico do tempo de ciclo com a razão de equivalência e pressão inicial Medidas de emissão para a determinação do comprimento da célula de detonação Foram realizados testes fora da faixa de emissão das espécies produzidas (~450 nm). Em uma detonação, os pontos triplos aparecem como picos de luminosidade. Devido ao arranjo ótico utilizado, mede-se o tempo entre os pontos triplos da célula de detonação onde o monocromador está alinhado (cerca de 190 mm da ignição), encontrando assim o seu comprimento, o qual pode ser relacionado à sua largura. A frequência de emissão também serve como uma medida da estabilidade da reação, através da regularidade das células. Cerca de três registros de emissões foram obtidos, caracterizando a detecção da emissão nesta região com um mesmo formato. Porém, apenas um com alta razão sinal/ruído e tempo de ciclo compatível com uma detonação (tciclo.max = 21ms, para UCJ = 1000m/s), como se observa na Figura 4. Foram analisados no total 20 picos (Figura 4), após aplicar-se o filtro baseado na transformada de Fourier (FFT), obtendo-se o intervalo de tempo de 51,4 ± 16,6 s entre os picos. A partir das DCJ estabelecidas pelo tempo de ciclo obtido experimentalmente por emissão luminosa, as dimensões das células de detonação foram determinadas (Tabela 2). II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 215 0.08 ~ 450 nm 0.04 0.00 [V] -0.04 -0.08 -0.12 -0.16 -0.20 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Tempo [ms] Figura 4. Emissão com resolução temporal no tubo de detonação e na câmara de testes. CH1 ao redor de 450nm e CH2 em 651,7 nm, observa-se que tciclo = 20,2 ms. Tabela 2. Velocidade considerada para o comprimento e largura da célula detonação. DCJ / ms-1 LC / cm λ /cm Sem aceleração 6,7±2,2 4,0±1,3 1295,3 -1 DCJ / ms LC / cm λ /cm Com aceleração 5,4±1,7 3,2±1,0 1048,2 A literatura [8] mostra que a medida máxima admitida para a largura da célula de detonação () é igual a πD, onde D é o diâmetro do tubo de detonação. No sistema em estudo, D = 3,6 cm. Porém, na prática, aceita-se como D o valor máximo para como limite de propagação de uma detonação. Portanto, o resultado mostra que apesar de haver uma detonação ela se propaga até sua extinção, não sendo válida como condição de um PDE. Medidas de emissão da H2O* com resolução temporal Medidas de emissão de H2O* com resolução temporal foram realizadas para comprovar a detonação a partir de misturas de H2 / ar, como mostra a Figura 5. Observa-se uma maior razão sinal/ruído para as medidas em 620,22 nm. Porém, a aquisição da emissão com maior razão sinal/ruído não tem impacto na determinação do tempo de ciclo do PDE (Tabela 3). Tabela 3. Tempos de ciclo do PDE determinados por emissão luminosa. Descarga Detecção Truptura/ Taplicada/ Cap./ λ / nm Δ / nm Monocromador kV kV nF 8,5 25 75 651,7 2,1 ¼m 7 25 150 651,7 2,1 ¼m 7 25 150 651,7 2,1 ¼m 7 25 150 620,22 0,78 0,5 m tciclo / ms DCJ / m s-1 12,85* 1646,5 10,85 1950,1 9,80** 12,25 1725,4 / ms 12,0 ± 1,0 / m s-1 1774,6 ± 157,2 * tciclo obtido com a descarga de nanosegundos com capacitores novos e thyratron nova (com defeito). ** tciclo não é válido devido à presença de fuligem do experimento com folha de fuligem para determinação da célula de detonação (o teste apresentou células de detonação). Os tempos de ciclo foram obtidos para um motor com falhas no sistema de ignição (com grandes perdas de energia) e, nestas circunstâncias, o desvio é de apenas 1 ms. A partir dos tempos de ciclo obtidos experimentalmente é possível calcular-se as velocidades de detonação Chapman-Jouguet (DCJ), aplicando-se as equações (4), (5) e (6). Atingiu-se, em média, 90% de DCJ, aplicando-se uma ignição de nanosegundos com energia de dezenas de joule. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 216 Figura 5. Registros da emissão de H2O* com resolução temporal para a detonação da mistura estequiométrica de H2/ar a 1 atm. (a) = 651,7±1,05 nm e (b)=620,22 ±0,39 nm. Conclusões A partir dos dados calculados, observa-se que os comprimentos de células de detonação obtidos a partir do modelo semi-empirico se aproximam mais dos encontrados na literatura, porém estes possuem uma faixa de trabalho restrita. A técnica de emissão com resolução temporal é adequada para estabelecer as dimensões da célula de detonação e os resultados mostraram o limite de propagação da detonação no sistema em estudo. Foi constatada uma detonação repetitiva, visto que os tempos de ciclo determinados experimentalmente tem um desvio admissível. Agradecimentos Ao CNPq e à FAPESP pelo financiamento da bolsa PIBIC e dos materiais e equipamentos. Referências [1] POVINELLI, L. A.; Pulse detonation engines for high speed flight. Nasa Report TM2002-211908, 2002. 8p. [2] LEE, J. H. S., The detonation phenomenon, 1st Ed., Cambridge University Press, New York, 2008. [3] DESBORDES, D. em http://www.lcd.ensma.fr/, 2005. Acessado em 25 de Abril de 2013. [4] EDWARDS, D. H.; THOMAS, G. 0.; NETTLETON, M. A. The diffraction of a planar detonation wave at an abrupt area change. J . fluid mech., v. 95, n 1, p. 79-96, 1979. [5] GAVRIKOV, I.; EFIMENKO, A.A.; DOROFEEV, S.B. A model for detonation cell size prediction from chemical kinetics A. Combustion and flame, v. 120, n 1-2, p. 19–33, 2000. [6] ENDO, J.; FUJIWARA, T. A simplified analysis on a pulse detonation engine model, Trans. Japan soc. aero. space sci. v. 44, n 146, p. 217–222, 2002. [7] DOVICHI FILHO, F.B.; FERRAZ, W.C.; MARQUES, C.S.T.; OLIVEIRA, A.C.; CHANES JR.; J.B. Single-shot pulsed detonation device for pde combustion simulation. In: BRAZILIAN CONGRESS OF THERMAL SCIENCES AND ENGINEERING, 13, 2010, Uberlândia. Proc. of 13th braz. cong. thermal sci. eng. Rio de Janeiro: Brasil, 2010. [8] THOMAS, G.O.; Flame aceleration and the development of detonation in fuel-oxygen mixtures at elevated temperatures and pressures. Journal of hazardous materials, v. 163, p 783-794, 2009. Art.39 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.212-217, 2013 217 DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA VANT PARA SER UTILIZADA EM TESTE COM O PILOTO AUTOMÁTICO PITER 1 V. A. Sousa1, 2 *, Q. C. Eller1, 2, E. H. Shiguemori1 Instituto de Estudos Avançados, EGI, S. J. dos Campos, Brasil 2 Universidade Paulista, UNIP, São José dos Campos *[email protected] Palavras-chave: Quadricóptero, MultiWii, Imagem. Introdução Os Veículos Aéreos Não Tripulados, que também são conhecidos pela abreviação de VANT, são aeronaves que não possuem tripulação a bordo e são guiados remotamente ou autonomamente. Podem realizar diversas tarefas, tais como, reconhecimento de área, vigilância de patrimônio, captura de imagens para mapeamento, aplicação em agricultura de precisão, sensoriamento ambiental, monitoramento e análise de trânsito de veículos, ou realizar outros tipos de tarefas dependendo dos instrumentos nele embarcados [1,2]. Apesar da grande diversidade de utilização que essas aeronaves possuem, desde o surgimento dos primeiros modelos, a sua utilização é militar e civil [3]. Neste trabalho é proposto o estudo de uma plataforma VANT (multirrotor) de baixo custo para realização de experimentos com uso de imagens e vídeos aéreos, com ênfase aos testes práticos de navegação autônoma a partir de informações do sistema PITER (Processamento de Imagens em Tempo Real). Metodologia As etapas fundamentais que foram seguidas para a realização deste trabalho de pesquisa são: 1. Definição da estrutura do VANT que mais se adequa ao problema de navegação por imagens; 2. Escolha dos componentes eletrônicos apropriados ao projeto; 3. Montagem do VANT e configuração do sistema de navegação; 4. Realização de testes. O projeto PITER, que está em desenvolvimento no IEAv, possui como objetivo demonstrar o conceito de navegação autônoma por imagens, sendo que esse projeto possui várias ramificações de pesquisa, por exemplo o sistema de visão computacional, sistema de eletrônica embarcado, etc. As imagens utilizadas no laboratório para testes e estudo, são obtidas por meio de satélites e voos gravados sob a cidade de São José dos Campos [4]. Diante da necessidade de se possuir mais amostras de imagens para serem utilizados na pesquisa, surgiu à possibilidade de se estudar um VANT de baixo custo para auxiliar os experimentos realizados em laboratório. Na Figura 1 temos um diagrama de blocos com as etapas seguidas para a realização desse estudo. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 218 Figura 1 – Diagrama de Blocos Os modelos de VANT existentes na atualidade são projetados seguindo os conceitos de modelos de aviões, helicópteros ou dirigíveis, sendo que cada opção possui vantagens e desvantagens quando comparadas entre si [3]. Na Tabela 1 são apresentadas as principais características dessas concepções. Tabela 1 – Características dos modelos VANT [3] VANT Concepções Características Vantagem Avião Desvantagem Necessita de uma área para realizar pouso e decolagem Pouso e decolagem Helicóptero Vantagem Desvantagem Não necessita área específica para realizar pouso e decolagem Dirigível Vantagem Desvantagem Em qualquer lugar decola Necessita de uma área para realizar pouso Trajetória Consegue seguir uma rota Consegue seguir uma rota Depende das condições do vento Condições do Clima Tolera ventos durante voo Tolera ventos durante voo Tolerância baixa para voar com ventos Custos Possui custo de construção e manutenção baixo Transporte Possui o recurso de desmonte, o que torna o transporte fácil Custo de aquisição e manutenção alto Também possui fácil transporte Custo de aquisição e manutenção alto Dificuldade em transportar devido ao reservatório de gás Sendo o baixo custo um dos principais focos do estudo, a configuração e modelo adotado no estudo é de um VANT multirrotor de 4 motores (Quadricóptero), pois as suas vantagens são equiparadas com os modelos do tipo helicóptero, porém pode ser desenvolvido com custo menor para serem utilizados para obtenção de imagens. O componente estrutural que define o II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 219 VANT como um modelo quadricóptero de 4 motores é o Frame, sendo uma base de fibra de vidro onde são fixados todos os componentes presentes no VANT, tendo o seu formato semelhante a letra “X”[5]. Após a definição da estrutura principal do VANT ter sido obtida, o passo seguinte empregado no desenvolvimento do projeto foi a escolha dos componentes eletrônicos. Dentre os componentes que compõe um quadricóptero, podemos focalizar nos primordiais para o seu desenvolvimento, sendo eles o motor, controlador eletrônico de velocidade (ESC), bateria e uma placa controladora. Atualmente existem vários tipos de motores, variando em muito o seu tamanho, amperagem e torque [6], porém os motores do tipo brushless possuem a característica de não haver contato mecânico entre a superfície do rotor e o estator e não acumulam poeira e faísca no decorrer de sua utilização, aumentando sua vida útil e tornandose assim ideal ao projeto [7]. O motor como componente isolado não possui a capacidade e recurso para controlar a sua velocidade de rotação, sendo então necessário um auxílio externo que realize essa função, sendo eles os ESC, que utilizam sinais PWM (do inglês Pulse Width Modulation) para controlar a rotação do motor, designando assim sua aceleração e velocidade [6]. Um componente principal que constitui um projeto de VANT é a placa controladora de multirotores que gerência e controla o sistema de navegação da aeronave, entre os diversos modelos existentes podemos citar o MP2028 produzido pela MicroPilot ou a MultiWii CRIUS da empresa MultiWii [8,9]. As placas controladoras possuem em sua constituição um sensor acelerômetro (responsável por medir aceleração) e giroscópio (sensor que detecta movimentos angulares) para auxiliar a navegação do VANT, sendo todo esse conjunto eletrônico gerenciado por uma lógica de programação embarcada na própria placa [7]. Resultados e Discussão Após um levantamento teórico a respeito dos VANT, as especificações dos componentes foram realizadas visando atender ao propósito do projeto e possuir um baixo custo. A montagem do VANT foi feita utilizando um motor brushless NTM Prop Drive 2826 1350Kv; um ESC Turnigy AE-30A que funciona a uma amperagem de 30 amperes; bateria ZIPPY FLIGHMAX 30C 5800mAh, com a amperagem de 174A, ideal para suprir a alimentação de todo o sistema VANT. Para controlar o sistema foi utilizado a placa MultiWii CRIUS SE, que inicialmente era um projeto constituído de uma placa de desenvolvimento microcontrolada Arduíno e um sensor acelerômetro e giroscópio encontrados nos controles da Nintendo WiiMote. A placa possui entradas e saídas analógicas e digitais que podem ser utilizadas para acoplar diversos componentes, tais como sensor de temperatura ou um GPS (Sistema de Posicionamento Global) que auxilia a navegação do VANT durante um determinado percurso, sendo então a MultiWii responsável por controlar e gerir todos os componentes eletrônicos presentes no quadricóptero que fazem parte do sistema de sustentação, propulsão e navegação, por exemplo os ESC e motores [7]. Acoplada a placa está o módulo GPS uBlox v2.0 que irá fornecer dados para auxiliar a lógica de navegação do sistema VANT, sendo que o piloto irá controlar a placa e induzir os comandos responsáveis pela trajetória do vôo através do controle Futaba 7C 2.4 Ghz e um receptor de 7 canais. O núcleo lógico da placa é constituído por um microcontrolador ATmega328 e utiliza a linguagem de programação C/C++. O fabricante da placa MultiWii disponibiliza um código fonte open source que pode ser utilizado em diversos tipos de multirrotores, e a sua alteração e melhoria é livre, podendo assim ser modificado o código para implementações futuras de funções não previstas na placa. O ambiente de desenvolvimento e alteração do código é o Arduíno 1.0.3, o mesmo utilizado para desenvolvimento de códigos para arduínos [9], sendo II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 220 que também existe uma interface gráfica chamada MultiWii GUI que se for executado em um computador conectado a MultiWii é demonstrado a situação da placa, como por exemplo o estado de funcionamento dos sensores (operante ou inoperante). O código fornecido pelo fabricante da placa MultiWii deve ser configurado de acordo com o tipo de multirrotor escolhido antes de ser carregado na placa utilizando o ambiente de desenvolvimento Arduino, no qual deverá ser configurado para ser utilizada com o microcontrolador ATmega328. Tipo de multirrotor, velocidade de comunicação de módulos GPS e ajuste de declinação magnética (diferenças da orientação do pólo geográfico com o pólo magnético) são apenas alguns fatores que devem ser ajustados na placa para que ocorra o seu funcionamento [10]. Nas Figuras 2, 3 e 4 são apresentados, respectivamente, um diagrama de funcionamento, uma foto do protótipo final e o VANT em voo. Figura 2 – Diagrama de Funcionamento Figura 3 – Quadricóptero Figura 4 – Teste de voo Foram realizadas 3 voos com o quadricóptero com a finalidade de testar o seu funcionamento eletrônico e lógico do sistema de navegação. No primeiro voo realizado com a finalidade de testar GPS Hold (fixação do VANT em um ponto específico) foi constatado falhas no GPS. No segundo voo para se testar a função GPS Home (retorno do VANT automaticamente a um determinado ponto fornecido pelo GPS) não foi obtido sucesso de início, devido a uma configuração inadequada, tornando-se funcional após serem realizadas correções. E com um terceiro voo foi novamente testado as funcionalidades do quadricóptero. Na Tabela 2 temos a representação dos dados de vôo e nas Figuras 5, 6 e 7 temos imagens obtidas que podem ser utilizadas por exemplo para identificar áreas urbanas e rurais. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 221 Tabela 2 – Testes de voos Testes de Voo Data Teste Modificação Tempo aproximado voo 14/02/2013 GPS Hold Alteração nos parâmetros do protocolo I2C 7 minutos 19/02/2013 GPS Home Ajustes na interface gráfica MultiWii GUI 5 minutos 20/02/2013 GPS Hold Ajustes no PID 4,5 minutos Figura 5 – 14/02/2013 Figura 6 – 19/02/2013 Figura 7 – 20/02/2013 Conclusões No decorrer da pesquisa foram estudadas diferentes tecnologias utilizadas em projetos de veículos aéreos não tripulados, entre eles o multirrotor quadricóptero, tendo como principal foco o projeto de um VANT de baixo custo para ser utilizado em auxílio com o projeto PITER, sendo possível obter imagens aéreas para realização de testes. Agradecimentos Agradeço ao CNPq pelo fornecimento da bolsa de iniciação científica, a Divisão de Geointeligência e ao IEAv. Referências [1] BERNINI,Á.;GONÇALVES,J.C.;CATHARINO,W.I. Aplicação de veículo não tripulado: VANT para auxílio em operações de localização e recuperação de veículos roubados.Universidade Paulista campus Bauru, Bauru.2011. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 222 [2] MARTINELLI, T. H. Adaptação de stream de vídeo em veículos aéreos não tripulados. Universidade de São Paulo,São Carlos.2012. [3] MEDEIROS, F.A. Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado para aplicação em agricultura de precisão. Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria. 2007. [4]MEDEIROS,F.L.;SHIGUEMORI,E.H;MONTEIRO,M.V.T.;DOMICIANO,M.A.P.;MAR TIRNS,M.P.Verificação Automática de Situações de Colisão na Navegação de Veículos Aéreos Não Tripulados. Instituto de Estudos Avançados IEAv.São José dos Campos.pag 12. [5]HobbyKing.Disponível em:<http://http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__34236__H obbyking_X580_Glass_Fiber_Quadcopter_Frame_w_Camera_Mount_585mm.html>.Acesso em 02 de maio 2013. [6]RUSSOLO, T.A.;Sistema de Controle de Posição Microprocessado com Servomotor CC.Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos. 2011. [7]FILHO,G.L.S.; RUDIGER,G.T.; NASCIMENTO,J.P.M. Quadricóptero.Universidade Tecnológica do Paraná,Curitiba. 2011.pag 9. [8] FIGUEIREDO, L.M.V;SANTOS,J.S.Piloto Automático para Veículo Aéreo NãoTripulado (VANT) MicroPilot®.Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos. 2010. [9]MULTIWIICOPTER. MultiWii Guide. Disponível em:<http://www.multiwiicopter.com>. Acesso em 24 de janeiro de 2013. [10]ATXHELI. Guide to setting up and using the CRIUS MWC MultiWii SE Board Software. Disponível em: <http://www.robson.fr/wp-content/uploads/2012/08/NewbiesGuide-to-Setting-Up-CRIUS-MultiWii-SE-board-v4-22-12.pdf>. Acesso em 16 de janeiro de 2013. Art.39.1 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.218-223, 2013 223 AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS DE POLITEREFTALATO DE ETILA OU PET REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO COMO SUBSTITUTO AO AÇO EM PAVIMENTAÇÃO EXPOSTA AO TEMPO 1 T. L. S. Correa1; G. de Vasconcelos2 Universidade estadual Paulista – UNIP campus Jacareí 2 Instituto de Estudos Avançados – IEAv-DCTA Palavras Chaves: concreto, porosidade, resistência, mecânica, absorção, água. Introdução Politereftalato de etila, ou PET, é um poliéster, polímero termoplástico ou plástico, desenvolvido por dois químicos britânicos Whinfield em 1941, formado pela reação entre o ácido tereftálico e o etileno glicol, formando um poliéster. Utiliza-se principalmente na forma de fibras para tecelagem e de embalagens para bebidas. A pavimentação de quadras e ginásios esportivos, estradas ou estacionamentos em regiões com elevados indices pluviométricos requer a utilização de drenos, ranhuras ou “groves”. Sobre estas ranhuras, na ocorrência de forte chuva, por exemplo, poderá ser observado a formação de filmes de água. A utilização de concreto poroso causa a exposição do aço estrutural a reações de oxidações quando em contato com a água, limitando assim, seu tempo de vida média. A subsituição do aço por um polímero inerte à chuva ácida ou à água pode ser uma alternativa viável, se porventura, a diferença de resistência mecânica entre o aço e as fibras de PET que se deseja desenvolver, for compensada pelo uso de maior quantidade de fibras distribuidas de forma otimizada no interior do revestimento ou piso. Esta proposta objetiva avaliar a utilização do Politereftalato de etila em subsitutição as malhas metálicas utilizadas na pavimentação exposta ao tempo. A principal vantagem da utilização deste material, além do apelo ecológico, dando destino correto a este material é a sua inércia química, podendo ser exposto à umidade e a ambientes quimicamente agressivos. Metodologia experimental Fitas de Politereftalato de etila foram extraídas de embalagens PET, a partir do corte longitudinalmente ao seu eixo de centro. A parte inferior da garrafa é removida e em seguida, é feito o corte das fibras utilizando-se uma lâmina feita a partir de um estilete comercial. Estas fitas, com largura da ordem de 3mm, foram fixadas na placa de um torno mecânico, conforme apresenta a Fig. 1, giradas com rotação de 250rpm. Para as fibras não retornarem ao seu estado inicial (forma reta) fez-se o aquecimento com um jato de ar quente (T=180ºC), a fibra já conformada a quente é apresentada na Fig. 2. Foram realizados ensaios de tração que consiste em submeter um corpo de prova a um esforço de tração na direção axial até sua ruptura. O resultado obtido é registrado na forma de um diagrama, denominado diagrama de tensão deformação que pode ser obtido fazendo-se a leitura das cargas aplicadas e das deformações sofridas, esses valores são fornecidos pela própria máquina de ensaios através de extensômetros adaptados aos corpos de prova. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.224-227, 2013 224 Figura 1: Fibras sendo conformadas a frio em torno mecânico. Figura 2: Fibra logo após processamento no torno mecânico e conformação a quente O diagrama apresentado na Fig. 3, foi obtido para um conjunto de fibras já com reforço estrutural de fibra de carbono. Resultados experimentais Dos resultados dos ensaios mecânicos, inferiu-se que deveriam ser conformados grupos de treze fibras com reforço estrutural de 7% de fibra de carbono, sendo também embebidas com resina acrílica. Os resultados obtidos foram comparados aos do aço utilizados na construção civil. Este ajuste se dará pela variação do diâmetro da fibra e pela abertura da malha. Ou seja, os valores de resistência requeridos, serão compensados pelo aumento do diâmetro da fibra e pela redução da abertura da malha. Figura 3: Resultados de tração de um arranjo de fibras de PET. Dimensão do CP diâmetro de 4,4mm e comprimento de 93mm. Na Figura 4, apresenta-se a malha que foi feita para ser utilizada como reforço estrutural para o concreto. Observa-se leve curvatura na região central da amostras. Esta curvatura, na forma de catenária, poderá promover ainda maior resistência mecânica ao bloco de concreto, graças a uma propriedade desta curva. Seu formato faz com que a força de compressão aplicada sobre o pavimento seja distribuída por ele. Ou seja, a força exercida faz com que os átomos das fibras sejam empurrados uns contra os outros, num sentido que os agregue ainda mais, ao II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.224-227, 2013 225 invés de que sejam forçados a separar-se. Parte dos esforços de tração a que seriam submetidas as fibras serão agora convertidos na compressão dos átomos. O bloco de concreto foi feito (Figura 5) de modo que se produzisse um bloco com razoável porosidade. Fig. 4: Malha de PET reforçada com resina Fig. 5: Bloquete, em destaque as fibras fixa na forma de madeira utilizadas em sua construção. A Fig. 5 acima sumariza a pesquisa realizada apresentando o bloquete de concreto que foi produzido utilizando-se as fibras de PET como reforço da estrutura. Para fins de exposição ao público em possíveis divulgações dos resultados deste trabalho, mantiveram-se as fibras aparentes nas laterais. A Figura 6 apresenta imagem da secção transversal da amostras, observa-se presença de poros com tamanhos da ordem de 0,3mm que são convenientes ao sistema para fins de absorção de água. Figura 6: Microscopia óptica do meio da amostra (secção transversal da amostra). Conclusões e discussão A utilização de fibras de PET pode ser uma alternativa viável para a construção de pisos de pavimentação principalmente em aeroportos, quadras esportivas ou estacionamentos que II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.224-227, 2013 226 estejam expostas às intempéries. Estes calçamentos reforçados com fibras de PET poderão ser construídos com alta porosidade e podem atuar como dreno evitando a formação de filmes de água indesejáveis. A drenagem de água através do concreto não compromete a estrutura da fibra, graças a sua elevada inércia química, contrário ao aço que não pode estar em contato com a água. Pela facilidade de fabricação das fibras, Organização não Governamentais – ONGs poderão organizar grupos de coletores de embalagens de PET e incentiva-los a produzir as fibras, com isso, será possível aumentar a renda média destes grupos e gerar novos empregos. Agradecimentos: Ao CNPq pela bolsa de estudo oferecida pelo Programa PIBIC-IEAv, ao pesquisador Dr. Pardini do AMR-IAE-DCTA pelo fornecimento das fibras de carbono; aos amigos do INPE pelo fornecimento da resina utilizada na conformação das fibras, ao IEAv-DCTA pelo uso dos laboratório e ao Pesquisador Dr. Milton Sérgio pelas orientações de uso da máquina universal de ensaio. Referências Bibliográficas: CANEVAROLO Jr., Sebastião V. Ciência dos Polímeros – Um Texto Básico para Tecnólogos e Engenheiros. Artliber Editora. São Paulo, 2002. CARASCHI, José Cláudio; LEÃO, Alcides Lopes. Avaliação das Propriedades Mecânicas dos Plásticos Reciclados Provenientes de Resíduos Sólidos Urbanos. Botucatu, São Paulo, 2002. CALLISTER Jr., William D. Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução. LTC – 1988. Art.39.2 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.224-227, 2013 227 ESTUDO DO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO A PLASMA EM CHAPA DE Ti-6Al-4V SOLDADA COM LASER A FIBRA1 H. R. Simoni1,2*; M. S. F. Lima2; A. J. Abdalla2, R. M. Oliveira3 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP 3 Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – Laboratório Associado de Plasma, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: Ligas de titânio, soldagem a laser, tratamentos a plasma. Introdução Um dos materiais mais importantes empregado na indústria aeronáutica é o titânio e suas ligas, devido a sua boa relação peso/resistência1. Esta relação ocorre justamente com o emprego de elementos de liga no titânio. A liga Ti-6Al-4V é particularmente interessante devido a presença das duas fases (α e β), que conferem a este material uma boa usinabilidade e boa resistência mecânica2. Essa liga é muito empregada em reforços estruturais de asa e fuselagem, e em áreas com alta temperatura como áreas do pilone e APU, ou ainda em peças do motor como turbinas e palhetas de compressores3. Algumas companhias aéreas utilizam a soldagem a laser a fim de reduzir a utilização de rebites e consequentemente diminuir o peso da aeronave. O processo também é viável para o titânio que tem uma boa soldabilidade, mas deve-se proteger o material no momento da soldagem, para evitar problemas de oxidação e perda de resistência mecânica4. O objetivo deste projeto é estudar a resistência mecânica da liga de Ti-6Al-4V, após soldagem a laser e tratamentos termoquímicos a plasma. Metodologia As chapas de 2 mm de espessura da liga Ti-6Al-4V foram cedidas pela EMBRAER e as soldas a laser foram realizadas no laboratório DEDALO/IEAv, com uso do laser a fibra. Os parâmetros utilizados para a realização das soldagens foram do fluxo de argônio de 60L/min, velocidade de 40mm/s e potência de 1300W. Algumas chapas soldadas foram analisadas por microscopia e difratometria de raios X (DRX). Algumas amostras soldadas foram levadas ao INPE para a realização da implantação iônica com plasma, que tem como objetivo a formação de uma camada de nitreto de titânio na superfície da liga, como também a formação das fases α e β, essencial para a melhoria de resistência mecânica da liga. Resultados e Discussão As análises microscópicas mostraram que se formaram na soldagem três regiões distintas: metal base (MB), zona termicamente afetada (ZTA) e zona fundida (ZF) como é mostrada na Figura 1. A análise de DRX mostra que na região da solda existia apenas a fase α formada, diferentemente da região do MB que tem a presença das duas fases. O tratamento termoquímico a plasma mostrou que houve modificação na microestrutura da região da solda, Figura 3, como também a formação da camada de nitreto de titânio na superfície da amostra, Figura 4, e formação da fase β na solda, Figura 5. Portanto, foi possível obter uma junta soldada com a estrutura α+β, propícia às aplicações mecânicas, ao mesmo tempo em que se produziu uma camada dura de nitretos. 1 Projeto: FAPESP 2012/12685-5, bolsa de doutorado. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.228-229, 2013 228 Figura 1: Micrografia das 3 regiões da solda. Figura 2: DRX da região da solda Figura 4: DRX da região da solda tratada a plasma onde mostra a presença do nitreto de titânio. Figura 3: Micrografia da região da solda depois do tratamento a plasma Figura 5: DRX da solda tratada a plasma onde mostra a fase β formada. Conclusões Através das análises das microscopias e de DRX, pôde-se concluir que no momento da soldagem há a formação apenas da fase α no cordão de solda e a formação de três regiões MB, ZTA e ZF. Com a realização do tratamento termoquímico a plasma, pôde-se observar que houve uma mudança microestrutural no material, deixando de existir as três regiões distintas tendendo a uma homogeneidade do material. Com a análise de DRX, o tratamento a plasma foi viável para a formação da fase β na região da solda, como também a formação de uma camada superficial de nitreto de titânio que pode aumentar a resistência mecânica desta liga. Todas as análises realizadas neste trabalho serão empregadas em corpos de prova de tração e fadiga para estudos de ensaios mecânicos, pois baseando em trabalhos da literatura, pode-se observar que a soldagem a laser junto com o tratamento a plasma pode melhorar a resistência mecânica da liga, sendo de grande importância este conhecimento para as indústrias aeroespaciais. Agradecimentos Os autores agradecem o apoio na compra de materiais a CNPQ e FAPESP e a concessão de bolsa de doutorado da FAPESP. Referências [1] DONACHIE, M.J., Titanium – A Technical Guide, ASM International, p.469, (1988). [2] KIKUCHI, M.; TAKADA, Y.; KIYOSUE, S.; YODA, M.; WOLDU, M.; CAI, Z.; OKUNO, O.; OKABE, T.; Grindability of Cast Ti-Cu Alloys, Dental Materials, v19, p.375381, (2003) [3] EMBRAER, Informações obtidas junto à empresa, 2013. [4] CAIAZZO, F.; CURCIO, F.; DAURELIO, G.; MINUTOLO, F.M.C.; Ti-6Al-4V Sheets Lap and Butt Joints Carried Out by CO2 laser: Mechanical and Morphological Characterization; Journal of Materials Processing Technology; v. 149; p. 546-552 (2004) Art.40 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.228-229, 2013 229 MICROESTRUTURAS PERIÓDICAS INDUZIDAS POR LASER EM SUPERFÍCIES DE AÇO INOX AISI304 1 J. G. A. B. Simões1*, R. Riva1, M. S. F. Lima1, W. Miyakawa1 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP * [email protected] Palavras-chave: microestruturas de superfície induzidas a laser, texturização de superfícies a laser, fusão de superfícies a laser. Introdução Estruturas periódicas realizadas em superfície do aço inox, produzidas por aplicação de feixe de laser (Laser Induced Periodic Surface Structures – LIPSS) resultam da interferência do feixe de laser e da radiação espalhada na superfície, onde causa um distúrbio muito regular numa fina camada da superfície do metal inox em estado de fusão, pelo aquecimento gerado pelo laser [1,2]. Dependendo dos parâmetros de feixe do laser e das propriedades do material, uma estrutura periódica, que pode difratar a luz, da mesma ordem do comprimento de onda do laser, fica impressa na superfície do aço inox depois do seu resfriamento, fundida pelo aquecimento causado pela interação do feixe de laser na superfície do metal. Neste trabalho, investigamos a formação do LIPSS em uma amostra de aço inox AISI 304 com texturas de variadas rugosidades, usando um laser de Nd:YAG de 523 nm em modo Q-switching. Metodologia Um laser de Nd:YAG (Coherent, Mod.: Corona) emitindo pulsos entre 100 ns e 200 ns, com taxa de repetição de 5 kHz e comprimento de onda de emissão λ = 532 nm, foi utilizado em aço inox 304. A varredura do feixe do laser sobre a amostra foi efetuada de acordo com o esquema mostrado na Figura 1, utilizando-se um sistema de gravação (Scanlab, mod. Hurryscan). Figura 1. Laser, Scanhead e amostra, utilizados no esquema do experimento. Nos experimentos, o diâmetro do feixe do laser foi fixado em 270 μm, mantendo-se uma potencia média de 23 W. A velocidade de varredura variou entre 10 cm/s e 300 cm/s para taxas de sobreposição de pulsos de: -50 %, 0 %, 50 %, 75 %, 87,5 % e 93,75 %. O número de passagens sobre a amostra foi variado entre 1 até 8 passes, Figura 2. Resultados e Discussão Os resultados dos experimentos realizados em três amostras de inox com polimentos diferentes, deixando os substratos com rugosidades entre: Sa = 5 nm (para o exemplo mostrado) na amostra espelhada, Sa = 49 nm para amostra polida com lixa 1200 e Sa = 56 nm para polimento com lixa 600. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.230-231, 2013 230 Figura 2. Amostra de Inox e resultados de Rugosidade em função dos parâmetros de varredura. Realizou-se a formação de grades de difração com um período da ordem do comprimento de onda do laser incidente, neste caso 532 nm [2]. O efeito da formação desta grade na superfície do aço inox polido (acabamento espelhado) e tratado com o laser em condições experimentais adequadas para a geração deste tipo de textura é apresentada na Figura 3. Figura 3. Formação de grade de difração em amostra de inox. A textura em forma de ondulação (ripples) que gerou a grade de difração foi observada em todas as amostras irradiadas, com o diferencial de que, para cada substrato ocorreu um deslocamento do início de formação das grades, levando a crer que o efeito é bastante reforçado em função da rugosidade inicial do substrato. Conclusões Foram obtidas estruturas em superfície de aço inox 304, com efeito de grade de difração, onde, constatou-se uma regularidade na ondulação de comprimento de onda em 520 nm que é próximo do comprimento de onda do laser utilizado (532 nm), que está de acordo com a equação que prediz o comprimento do passo das ondulações Λ=λ/(1±senθ)[2]. Análises relacionando os deslocamentos no ponto de geração dos efeitos de grades de difração em função das diferentes rugosidades de substrato vão corroborar na explicação da facilidade da formação dos mesmos e de outras estruturações possíveis. Agradecimentos Ao pessoal do LMSO(IEAv) – Laboratório de Medições de Superfícies Ópticas; e ao Grupo de Pesquisa Lasers e Aplicações (IEAv). Referências [1] J.G.A.B. Simões, R. Riva, M.G. Destro,M.S.F. Lima, A.L. Ribeiro; Pulsed laser polishing of steel surfaces; IX Brazilian MRS Meeting (Ouro Preto, 14 24-28 October 2010). [2] Zhou Guosheng, P. M. Fauchet, and A. E. Siegman; Physical Review B, 1982, 26, 10. Art.41 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.230-231, 2013 231 ESTUDO DA TEMPERATURA NUMA CHAMA PRÉ-MISTURADA DE GLP/O2/AR PELA TÉCNICA LIF DO RADICAL CH A. E. O. Ferraz1*; L. G. Barreta2 Universidade Estadual Paulista - Departamento de Física, Guaratinguetá – SP. 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Atividades Gerais, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras Chave: Espectroscopia, LIF, diagnóstico em chama. Introdução Dentre as técnicas não intrusivas, destaca-se a Fluorescência Induzida por Laser do inglês “Laser Induced Fluorescence”, que é utilizada neste trabalho para diagnostico em chamas [1]. Na técnica LIF, moléculas ou átomos são excitados, normalmente, a partir do nível eletrônico fundamental por absorção de radiação laser na região do visível ou ultravioleta (tipicamente de 200 nm a 600 nm). Uma vez excitadas, as moléculas decaem para o nível eletrônico fundamental por emissão espontânea de fótons (fluorescência) [2]. A fluorescência nada mais é do que um método de detecção da radiação que foi previamente absorvida. Como previsto foi obtido o espectro de uma chama de GLP/O2/ar na região 435,0 nm a 437,0 nm para fornecer dados de temperatura, a partir do gráfico de Boltzmann. Metodologia Experimental A figura 1 mostra basicamente o aparato experimental para obtenção do espectro LIF. Como fonte de radicais CH será utilizada uma chama pré-misturada de GLP/O2/Ar. O sistema para obtenção de Fluorescência Induzida por laser (LIF) consiste de um laser de corante (fabricado pela SIRAH) pulsado e bombeado por um laser Nd-YAG Quanta-Ray que fornece um feixe de laser de 7 ns de duração. A luz do laser Nd-YAG com comprimento de onda de 1064 nm passa através de um cristal triplicador de frequência produzindo luz em 355 nm que bombeia o laser de corante cumarina 440 diluído em etanol. Figura 1- Arranjo experimental para obtenção do LIF. Resultados e Discussões A figura 2 mostra o espectro de LIF da chama pré-misturada de GLP/O2/Ar obtido experimentalmente utilizando-se o laser Nd-Yag entre a região de 435,0 nm a 437,0 nm e o espectro simulado que é obtido utilizando o programa LIFBASE [3] no qual possibilita a comparação do espectro simulado com o experimental. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.232-233, 2013 232 Figura 2-(a) Espectro simulado do LIF do radical CH. (b) Espectro experimental do radical CH. Foi calculada a temperatura por comparação do espectro simulado e o experimental, a temperatura que mais se aproxima dos dados experimentais é 2000K. Com esse resultado posteriormente, será efetuado o cálculo das temperaturas a partir do método de Boltzmann. Conclusões A técnica LIF permite calcular a temperatura de uma região específica, tanto pelo método de Boltzmann, quanto pelo utilizado nesse trabalho, no qual é feito por comparação dos espectros simulados e experimentais. A temperatura encontrada por comparação entre o espectro experimental e o simulado foi de 2000K. Esse resultado é satisfatório, porém deve-se ter uma energia mais estável do laser para melhor referência entre as linhas espectrais. Agradecimentos Agradecemos ao IEAv, ao PIBIC/CNPq pela bolsa e a FAPESP pelos equipamentos. Referências [1] BARRETA, L. G.; SBAMPATO, M. E.; SANTOS, L. R. dos.; MONTEIRO, A.; DESTRO, M. G.,XXXI ENCONTR NACIONAL DE FÍSICA DA MATÉRIA CONDENSADA,2008,Águas de Lindóia.Sociedade Brasileira de Física. [2] SANTOS, L. R. dos. Medições de temperaturas de chamas de etanol utilizando fluorescência induzida por laser. São Paulo, 2005.Tese Doutorado- Instituto de Química, Universidade de São Paulo. [3] Luque, J. e Crosley, D.R.,1999b, “LIFBASE: Database and spectral simulation (version 1.5)”, SRI International Report MP 99-009. Art.42 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.232-233, 2013 233 AUTOMATIZAÇÃO DOS APARATOS EXPERIMENTAIS DE CARACTERIZAÇÃO ELETRO-ÓPTICA R. C. Lopes1*; M. F. Mendonça2; G. S. Vieira2 Universidade Braz Cubas – Mogi das Cruzes – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: sensores de infravermelho, controle de equipamentos, coleta de dados. Introdução Entre as atividades voltadas à pesquisa de desenvolvimento de sensores de infravermelho, realizamos a caracterização eletro-óptica [1], que visa avaliar o comportamento e o desempenho destes sensores. Na caracterização eletro-óptica medimos a responsividade (eficiência do sensor na conversão de potência da radiação incidente em sinal elétrico), podendo ser uma medida integral (Figura 1), com incidência de radiação policromática, ou uma medida espectral (Figura 2), com incidência de radiação monocromática. Ambas as medidas demandam um conjunto de equipamentos ópticos e eletrônicos (um corpo negro, um globar, um monocromador, um chopper, um amplificador lock-in e um osciloscópio) que requerem ajustes de controle e geram uma grande quantidade de dados para análise, motivando a automatização do procedimento para realização destas medidas. Figura 1. Montagem para medida integral. Figura 2. Montagem para medida espectral. Metodologia Os parâmetros a serem automatizados são: a) as configurações do lock-in e do osciloscópio; b) a seleção da grade de difração e o comprimento de onda da radiação eletromagnética na saída do monocromador; c) a frequência do chopper, a temperatura e a abertura do corpo negro; e d) a distância entre o corpo negro e o sensor. Os parâmetros dos itens a, b e c foram automatizados via um programa desenvolvido em plataforma LabVIEW, uma linguagem de programação gráfica, onde são utilizados ícones com funções para aquisição e apresentação dos dados, além de funções para controle de equipamentos. O desenvolvimento do programa foi dividido em etapas, onde em cada etapa foi desenvolvida uma rotina para configurar e fazer a aquisição de dados para cada equipamento. No item d, controle da distância entre o corpo negro e o sensor, onde o corpo negro está acoplado a uma rosca sem fim, usaremos um motor de passos que movimentará a rosca sem fim para deslocar o corpo negro, tendo como referência sensores de fim de curso e II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.234-235, 2013 234 um sensor óptico que indica o deslocamento do deste. Para controle do motor de passo e dos sensores, usaremos um Arduino, plataforma de componentes eletrônicos e microcontrolador, e desenvolveremos uma rotina de controle para a interface gráfica do programa em LabVIEW interagir com o Arduino . Todas essas rotinas irão compor o programa final, que permitirá controlar os parâmetros desejados para efetuar tanto medidas espectrais quanto integrais. Resultados e Discussão As rotinas relacionadas aos itens a, b e c, para configurar e fazer a aquisição de dados, já foram desenvolvidas. No entanto, até o momento o programa contempla o monocromador, o osciloscópio e dois amplificadores lock-in diferentes, faltando incluir as rotinas do item c. Esse programa está sendo testado através de medidas com um detector padrão. Nesses testes observamos se os equipamentos respondem adequadamente ao controle e se a lógica de interação entre os equipamentos atende às necessidades das medidas. O problema atual está na demora de aquisição de dados de um dos amplificadores lock-ins. Figura 3. Apresentação dos dados de uma medida (acima) e interface do atual programa (à esquerda) que contempla o monocromador, o osciloscópio e dois lock-ins. Na figura 3 temos a interface do programa onde é realizada a escolha dos equipamentos que serão usados e as configurações de cada um para efetuar a medida, e a apresentação dos dados de interesse coletados da medida em “Bloco de Notas” e “Excel”. O item d, relacionado ao controle da distância entre o corpo negro e o sensor, está em andamento. Estamos especificando os itens necessários para a automatização e definindo o posicionamento deles no sistema, bem como o algoritmo que será implementado. Conclusões O programa desenvolvido até o momento permite efetuar medidas espectrais e medidas integrais para uma distância fixa entre corpo negro e sensor. Após implementar o sistema de controle da distância entre corpo negro e sensor, as medidas integrais poderão ser realizadas variando a distância para melhor avaliar o comportamento do sensor. Agradecimentos Ao CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica e DT, à FINEP, Fundos Setoriais, pelo apoio financeiro aos projetos dentro dos quais este trabalho insere-se, e ao demais bolsistas. Referências [1] BOSCHETTI, C. Detectores de infravermelho: princípios e caracterização. São José dos Campos: LAS-INPE, 2002. Apostila do curso de Ciências de Materiais Experimentais. Art.43 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.234-235, 2013 235 DESENVOLVIMENTO DE FORNO DE INDUÇÃO PARA PRENSAGEM A QUENTE DE CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO A. S. R. Ferreira, J. C. Minatti, F. A. Souza, A. J. Damião Instituto de Estudos Avançados, IEAv – São José dos Campos, SP – Brasil [email protected] Palavras-chave: circuito ressonante, inversores de frequência, aquecimento por indução eletromagnética. Introdução O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética. Faraday estudou o fenômeno e concluiu que, num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético variável, surge uma f.e.m. tanto maior quanto maior for a variação ΔΦ do fluxo. A fonte de energia elétrica de alta frequência é usada para acionar a corrente alternada através de uma bobina. Devido ao fato de formarem-se correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metálicas), que produzem grande elevação de temperatura nos materiais ferrosos submetidos à indução eletromagnética, objetivou-se o desenvolvimento do forno de indução para o aquecimento de materiais condutores. No caso, o objetivo é, a partir de um molde de aço VC 131, aquecer Carbono Vítreo Recarbonizado (CVR) no forno de indução para depois prensálo, utilizando uma temperatura até 600 ºC. A contribuição do trabalho será bastante importante no aquecimento do CVR para a produção de espelhos utilizados em óptica de imageamento de satélites. Metodologia O projeto é baseado em modelos de fornos de indução utilizados com frequência na fundição de materiais ferrosos. O forno é composto dos seguintes componentes: um retificador de baixa tensão de 15 V por 1,5 A, um circuito gerador de frequência, um circuito controle para os Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs), um circuito de controle para desarme por alta temperatura nos IGBTs, um retificador de alta tensão de 155 Vcc por 40 A, um circuito inversor de frequência com os IGBTs, uma bobina de indução e um banco de capacitores. Figura1. Esquema do forno de indução II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.236-237, 2013 236 Resultados e Discussão Primeiramente foram realizados os esquemas e esboços de duas placas eletrônicas: uma contendo o circuito gerador de frequência e o circuito de controle dos IGBTs e a outra com o circuito inversor de frequência, isto é, os IGBTs. Após a finalização da solda de todos componentes dos circuitos nas placas foi planejado o sistema de refrigeração mais adequado ao banco de capacitores, assim como um gabinete que pudesse acomodar da melhor maneira possível as placas prontas e os para refrigeração. Tudo foi montado dentro de uma caixa de ferro visando à distribuição dos componentes da melhor maneira possível. Quanto à bobina, foram realizadas diversas medições para avaliar o valor de sua indutância. Além disso, foram feitos testes com um Variac, ligando-se só o circuito gerador de frequência e o circuito inversor de frequência. O teste com o banco de capacitores e com a bobina foi realizando gerando uma frequência ressonante, porém ao aumentar a potência do sistema foi certificado que a frequência não respondeu da forma esperada, visando a aplicação proposta. Figura 2. Sistema elétrico do forno de indução montado. Conclusões O ponto crucial para este estudo é encontrar a frequência exata de ressonância do sistema, para se obter temperatura de 600 ºC no molde de aço VC 131 de forma eficiente. Isto depende da forma e volume do molde, isto é, da carga aplicada na bobina. A interação do campo magnético com esta carga é quem determinará a eficiência do sistema, que é dada pelo tempo de aquecimento até a temperatura desejada. É preciso ressaltar que há necessidade de tempo para o molde transmitir calor ao CVR, para que este seja prensado a temperatura que se deseja. Testes estão sendo feitos no sentido de relacionar a reatância e indutância fornecidas pela ferrite e a bobina do forno. Ainda é preciso testes que definam a frequência ressonante que possa garantir o uso do sistema de forma eficiente. Agradecimentos Agradecemos a colaboração da K. V. Couto e do R. T. Kavashima pela presteza ao passar-nos diversas orientações quanto à confecção das placas de controle e montagem do forno. Ao CNPq pelo financiamento. Referências [1] Chiristiensen, J. G.. Manual de fundição. São Paulo, 1978. [2] Brown, G. H.; Hoyler, C. N.; Bierwirth, R. A.. Teoria e aplicação de aquecimento de rádio-frequência. Nova York,1947. Art.44 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.236-237, 2013 237 ADEQUAÇÃO DAS DIMENSÕES DO ÓXIDO DE COBRE SINTERIZADO PARA ANÁLISE ELETROMAGNÉTICA 1 M. S. Amarante1,2*; A. C. C. Migliano1,2; S. A. Cunha1,2; G. P. Zanella1,2. Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Programa de Pós-Graduação em Ciências e Tecnologias Espaciais, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: CuO; processamento cerâmico; compactação; parâmetros de sinterização. Introdução Nos últimos anos, materiais com altos valores de constante dielétrica têm atraído atenção em pesquisas, devido às potenciais aplicações na indústria microeletrônica [1]. O óxido de cobre (II) CuO está inserido nesta categoria de materiais, e é atrativo devido principalmente: ao seu baixo custo, à facilidade de preparo e a disponibilidade em grande escala comercial. O alto grau de pureza refere-se à eliminação dos defeitos e de Cu+3 na formação da estrutura da cristalina do CuO. Uma das consequências diretas é a obtenção de uma constante dielétrica muito alta (ε' ~ 2,8-3,7x104) [2-3]. Neste trabalho, serão investigados os efeitos de mudanças dos parâmetros de fabricação de amostras de óxido de cobre, no que tange aos valores de diâmetros interno e externo de amostras toroidais. O intuito dessa pesquisa é encontrar uma condição de processamento que resulte em amostras com dimensões ideais para o encaixe em um adaptador tipo N que é utilizado como porta amostras na etapa de caracterização eletromagnética, sem a necessidade de usiná-las. Ao final do trabalho, uma amostra com e outra sem usinagem terão suas características eletromagnéticas (permeabilidade magnética e permissividade elétrica complexas) analisadas por meio de um analisador de impedâncias, com o objetivo de determinar as prováveis influências desse processo mecânico nas propriedades eletromagnéticas do material em estudo. Metodologia O pó de CuO (Vetec) foi calcinado a 600°C por 8h. Após a calcinação, o material foi moído a úmido em moinho excêntrico por 5h, utilizando-se álcool etílico. Essa etapa teve o objetivo de diminuir o tamanho de partícula do material. O pó resultante foi então compactado em formato toroidal, uniaxialmente, com pressão de 50,0 MPa. A matriz utilizada para a primeira compactação foi com as dimensões de diâmetro interno e externo de (3,55 mm e 8,20mm) respectivamente. A amostra obtida foi sinterizada a 920°C por 10h com taxa de aquecimento de 5°C/min e resfriadas a 1°C/min até atingir a temperatura ambiente, conforme descrito na referência [3]. Após utilizar os parâmetros da referência, foi feito um estudo com os tempos de sinterização de 5h, 8h e 12h para observar o comportamento do material. As medidas de diâmetro das amostras foram feitas em um projetor de perfil (Digimess mod. 400.400) que mede o raio da amostras a partir de três pontos. Novas amostras foram confeccionadas fixando-se o tempo de sinterização de 10h, e utilizando-se a matriz inicial e uma nova matriz com as dimensões de diâmetro interno e externo de (3,8 mm e 8,0 mm) respectivamente. As medidas eletromagnéticas normalmente são feitas em um analisador de impedâncias, utilizando-se como porta amostras um adaptador tipo N. As amostras devem ter as dimensões de diâmetro interno e externo de 3,1 mm e 6,9 mm respectivamente, para que esse adaptador possa ser utilizado como porta amostras, sem a necessidade de processo mecânico (usinagem) da amostra. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.238-239, 2013 238 Resultados e Discussão O preparo do primeiro lote de amostras identificou que as mesmas teriam que ser usinadas para fazer as medidas de permissividade e permeabilidade. Com o estudo do tempo de sinterização a melhor situação foi obtida com um tempo de sinterização de 10 horas, Figura 1, contudo, as dimensões finais ainda não são adequadas para o uso direto no porta amostras. Figura 1. Comportamento dos diâmetros da amostra em função do tempo de sinterização. A partir do estudo de variação das pressões obteve-se que as amostras compactadas com pressão de 38,2 MPa não apresentaram condições para transporte e manuseio. Porém, a amostra compactada com a pressão de 50 MPa ficou com dimensões muito próximas de diâmetro interno e externo (3,044 mm e 6,972 mm) das consideradas ideais. Conclusões Obteve-se uma amostra com dimensões muito próximas das consideradas ideais com as condições de sinterização a 920ºC por 10h, utilizando a matriz nova, com pressão de 50MPa. Entretanto, os parâmetros de processamento deverão ser modificados nas próximas etapas, para contribuir com a padronização dos mesmos e evitar a usinagem das amostras. Trabalhos Futuros Nos próximos passos deste trabalho espera-se obter amostras com dimensões ideais para realizar medidas eletromagnéticas, evitando a usinagem, e consequente mudança na microestrutura que interfere em suas propriedades eletromagnéticas. Agradecimentos À “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2; à agência de fomento “CAPES/Pró Estratégia” pelo financiamento do projeto 26/2012; à agência de fomento “CAPES/Pró Estratégia” pelas bolsas. Referências [1] MING, L.; FETEIRA, A.; SINCLAIR, D. C. Relaxor ferroelectric-like high effective permittivity in leaky dieletrics/oxide semiconductors induced by electrode effects: A case study of CuO ceramics. Journal of Applied Physics. v.105, 2009. [2] SARKAR, S.; PRADIP, K. J.; CHAUDHURI, B.K. Copper (II) oxide as a giant dielectric material. Applied Physics Letters. v.89, 2006. [3] THONGBAI, P.; YAMWONG, T.; MAENSIRI, S. Correlation between giant dielectric response and electrical conductivity of CuO ceramic. Solid State Communications. v.147, p. 385-387, 2008. Art.45 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.238-239, 2013 239 ANÁLISE DA FORMAÇÃO DE POROSIDADE INTRAGRANULAR DE FERRITAS Ni-Zn 1 S. A. Cunha1,2*; A. C. C. Migliano1,2, V. L. O. Brito1,2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP 2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos – SP * [email protected] Palavras-chave: ferritas Ni-Zn; análise microestrutural; processamento cerâmico; sensores Introdução Ferritas Ni-Zn são materiais cerâmicos que apresentam uma gama de aplicações que vão desde baixa frequência até microondas, e de baixa até alta permeabilidade. Essas ferritas são consideradas uma das mais versáteis para uso na indústria eletrônica, e se destacam principalmente por aplicações em dispositivos como antenas, núcleos de indutores, transformadores, sensores, absorvedores de ondas eletromagnéticas, etc. [1] Ferritas policristalinas, tais como as de Ni-Zn, são um sistema complexo composto de cristalitos, contornos de grão e poros. As propriedades magnéticas desses materiais são determinadas pela composição química, porosidade, tamanho de grão, entre outros. Durante análises microestruturais por meio de imagens obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Microscopia de Força Atômica (AFM) de amostras de ferrita Ni0,3Zn0,7Fe2O4 resultantes de trabalhos anteriores do grupo do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos [2], observou-se uma característica até então não discutida na literatura: a formação de poros que se orientam de forma aleatória entre os grãos, e de forma ordenada no interior desses. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho é fazer um estudo das etapas de reestruturação dos monocristais que constituem a região do núcleo do grão da ferrita Ni0,3Zn0,7Fe2O4 por meio de variações de pressão de compactação e tempo e temperatura de sinterização das amostras. Para tal, serão utilizadas análises feitas por MEV e AFM. Metodologia A primeira etapa do trabalho foi voltada à análise microestrutural de uma pastilha produzida no trabalho [2]. Para tal, foi utilizado o MEV disponível no Instituto de Física da USP (IFUSP). A segunda etapa teve o objetivo de obter amostras conformadas a partir do pó original desenvolvido anteriormente, variando-se os parâmetros pressão de compactação e tempo de sinterização. Para isso, foram compactados 3 lotes de pastilhas com três valores diferentes de pressão aplicada: o valor convencional (Pc), 50 (Pm) e 200 % (Pp) dele, em prensa uniaxial. Esses lotes de amostras foram sinterizados ao ar à 1300 ºC por 1, 2 e 3 horas, com taxa de aquecimento de 200 ºC/h. Após sinterizadas, as pastilhas sofreram processo de metalografia, com ataque térmico de 1200 ºC/10 min. As condições de processamento do pó e da pastilha de Ni0,3Zn0,7Fe2O4 utilizados podem ser conferidas em [2]. Resultados preliminares As imagens da primeira pastilha, observada por meio de MEV e AFM, são apresentadas na Figura 1. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.240-241, 2013 240 Figura 1. Imagens obtidas a partir da amostra de Ni0,3Zn0,7Fe2O4 produzida em [2]: a) MEV; b) AFM Por meio da Figura 1-a, pode-se observar que ocorreu formação de poros intragranulares que se orientam de forma aleatória entre os grãos, e de forma ordenada no interior desses. O relevo dos poros presentes na superfície da amostra pode ser visto na Figura 1-b. Na Figura 2 são apresentadas as imagens de MEV resultantes das amostras produzidas na segunda etapa do trabalho, sinterizadas à 1300 ºC/1h. Figura 2. Amostras compactadas com pressões diferentes: a) Pc, b) Pm e c) Pp Pela Figura 2 é possível notar que não há grandes diferenças na formação da porosidade intragranular com a variação de pressão aplicada durante a compactação para as condições de sinterização propostas nesse lote de amostra (1300 ºC/1h). Conclusões As amostras compactadas e sinterizadas a partir do pó original apresentaram porosidade intragranular, e a diferença na pressão de compactação aplicada não influenciou nesse resultado. As próximas etapas serão voltadas às análises microestruturais dos 2 lotes restantes, ao processamento do pó da ferrita Ni0,3Zn0,7Fe2O4 sob as mesmas condições do trabalho anterior, e à compactação e caracterização microestrutural de novas amostras. Agradecimentos Ao IEAv por disponibilizar a infraestrutura necesária; ao Projeto FAPESP nº2012/01448-2; ao “Laboratório de Filmes Finos do Instituto de Física da Universidade de São Paulo”, Brasil, pela instalação MEV e SPM (FAPESP proc.# 95/5651-0). Referências [1] CUNHA, S. A.; BRITO, V.L.O; MIGLIANO, A.C.C. Permeabilidade magnética complexa de ferritas Ni-Zn dopadas com Co, Cu e Mg. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 20, 2010, Campos do Jordão. Proceedings. Brasil: São Paulo, 2010. [2] BRITO, V. L. O. Seleção, elaboração e caracterização de ferritas Ni-Zn para aplicação em monitores de corrente pulsada. 2007, 159p. Tese (Doutorado em Engenharia Aeronáutica e Mecânica) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Art.46 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.240-241, 2013 241 CARACTERIZAÇÃO INICIAL DE UM CANHÃO DE ELÉTRONS BASEADO EM UM PSEUDOSPARK 1 A. P. L. Guimarães1,2*; D. Carinhana Jr.2; A. C. de Oliveira2 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: feixe de elétrons, plasma, dispositivo de alta tensão. Introdução O pseudospark (PS) é um dispositivo capaz de controlar altas tensões e é baseado numa descarga pulsada de catodo oco. A descarga de PS foi descoberta em 1977 e desenvolvida pela primeira vez como uma fonte de feixe de elétrons em 1978 por Christiansen e Schultheiss da Universidade de Erlangen, Erlangen, Alemanha [1]. O comportamento da tensão de ruptura (breakdown) de uma descarga PS é caracterizado por estar localizado sobre o ramo esquerdo da curva de Paschen. O objetivo deste trabalho é fazer a caracterização inicial da descarga de PS, pois o feixe de elétrons produzido servirá de instrumento para velocimetria em um túnel de choque hipersônico. Metodologia O PS, utilizado como um canhão de elétrons, é formado por multieletrodos em formato de discos com um furo central e separados por isolantes (Figura 1). Figura 1. a) Esquema de um PS multieletrodos [2]. b) Vista em corte do PS. A Figura 1a mostra o esquema do circuito utilizado. Para medidas de tensão, foi colocada no catodo uma ponta de prova de alta tensão Tektronix P6015 ligada ao osciloscópio digital Tektronix DPO3054, 500 MHz. Um transformador de corrente Pearson Electronics Inc., Modelo 411 com sensibilidade de 0,1 V/A, ligada ao mesmo osciloscópio, foi colocada entre o capacitor e o catodo para medida da corrente que gera o feixe de elétrons. O circuito operou com uma tensão de 20 kV, um capacitor C de 780 pF e um resistor R1 de 300 kΩ. Com este arranjo, podemos obter um feixe de elétrons colimado que produz a excitação das espécies químicas presentes no meio em que é incidido. Assim, o processo de relaxação dos átomos e moléculas dá origem a uma emissão fluorescente do plasma formado. 1 Projeto HIPERVEL - Medidas de Velocidade em Escoamento Hipersônico II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.242-243, 2013 242 Resultados e Discussão Podemos observar na Figura 2a a tela do osciloscópio com um resultado típico do perfil temporal de tensão e de corrente no canhão de elétrons. a) b) i) ii) Figura 2. a) Perfil temporal de tensão (i) e corrente (ii) no PS para geração do feixe de elétrons; b) Fluorescência produzida pelo feixe de elétrons. Por este perfil temporal temos que o valor de tensão é de 20 kV e o de corrente é de 380 A. Estes valores são consistentes com os da literatura [3,4]. No lado direito da figura 2b podemos observar a fluorescência produzida pelo feixe de elétrons colimado gerado pelo PS. Conclusões Foi realizada a caracterização inicial do pseudospark. Os resultados obtidos mostraram a que condições o PS tem que ser submetido para seu funcionamento básico e isso nos permite seguir os estudos para uma caracterização completa. Assim conheceremos a que condições ele poderá será aplicado no túnel de choque hipersônico, visando às medidas de velocidade do escoamento hipersônico. Agradecimentos Agradeço ao CNPq pela bolsa número 372705/2012-0. Referências [1] CHRISTIANSEN, J. and SCHULTHEISS C. Production of high current particle beams by low pressure spark discharges. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, Springer Berlin/ Heidelberg. v.290, p. 35-41, 1979. [2] FRANK, K.; DEWALD, E.; BICKES, C.; ERNST, U.; IBERLER, M.; MEIER, J.; PRUCKER, U.; RAINER, A.; SHLAUG,M.; SCHWAB, J.; URBAN, J.; WEISSER, W. and HOFFMANN, D. H. H. Scientif and Technological Progress of Pseudospark Devices. IEEE Transactions on plasma science, v.27, n.4, p. 1008-1020, 1999. [3] CROSS, A.W.; YIN, H.; HE, W.; RONALD, K.; PHELPS, A. D. R. Pseudospark-sourced beams of electrons and ions. In: 10TH EUROPEAN PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE. Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh: Scotland, 2006. p. 1711-1713. [4] KUMAR, N.; PAL, U. N.; VERMA, D. K.; PRAJAPATI, J.; KUMAR, M.; MEENA, B. L.; TYAGI, M. S.; SRIVASTAVA, V. Experimental Analysis of Pseudospark Sourced Electron Beam. J Infrared Milli Terahz Waves, p. 1415-1423, 2011. Art.47 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.242-243, 2013 243 CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE FERRITAS DE COBALTO PARA APLICAÇÕES EM SENSORES AEROESPACIAIS 1 B. A. Cunha1,2*; A. C. C. Migliano1, 2 Universidade Braz Cubas - Mogi das Cruzes – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] 1 Palavras-chave: propriedades eletromagnéticas, ferritas de cobalto, sensores aeroespaciais. Introdução Ferritas são materiais cerâmicos importantes do ponto de vista de aplicações, onde podem ser utilizadas em dispositivos como antenas, núcleos de indutores, transformadores, sensores, absorvedores de ondas eletromagnéticas, etc. Ferritas de cobalto (CoFe2O4), em particular, são atrativas devido às diversas aplicações encontradas na literatura: esses materiais apresentam características que os tornam capazes de serem empregados em sensores de tensão mecânica, atuadores piezomagnéticos, magnetômetros, transdutores magnetoelásticos, entre outros. Para a determinação da aplicação desses materiais, faz-se necessário o conhecimento de suas propriedades intrínsecas: a permeabilidade magnética (µr) e a permissividade elétrica (εr) complexas. Dessa maneira, são obtidos dados suficientes para, com o auxílio de ferramentas computacionais, simular desenvolvimento de estruturas eletromagnéticas, eliminando assim os altos custos de prototipagem e de ensaios de conformidade. Entende-se por permeabilidade magnética complexa a razão da indução magnética quando existe a incidência de um campo eletromagnético. Já a permissividade elétrica complexa está relacionada à relaxação dielétrica, que se refere à capacidade de polarização dos dipolos elétricos no material como resposta a incidência de um campo eletromagnético alternado. [1] Dessa maneira, foram desenvolvidos diversos métodos para a caracterização eletromagnética de materiais, sendo que tais métodos podem utilizar medidas de impedância (sonda coaxial aberta/fechada, capacitor de eletrodos paralelos) ou transmissão/reflexão (cavidade ressonante, espaço livre, linhas de transmissão). Cada método permite a aquisição de uma ou das duas propriedades eletromagnéticas complexas e possui limitações (faixa de frequência de medida, velocidade, divergências). Portanto, a técnica mais adequada deve ser escolhida de forma a se obter os resultados mais precisos e confiáveis. Nesse sentido, o presente resumo tem o objetivo de apresentar o status de um projeto de Iniciação científica, cujas metas são: fabricar amostras de ferrita de CoFe2O4 e determinar suas características eletromagnéticas na faixa de frequência de 2 GHz à 4 GHz por meio do método de transmissão/reflexão. Metodologia A seguir são detalhadas as etapas das atividades experimentais realizadas. 1. Processamento da matéria prima: A ferrita CoFe2O4 foi processada por meio do método cerâmico convencional, com pré-sinterização à 1100 °C por 8 horas e taxa de aquecimento de 300 °C/h. 1 Projeto: Desenvolvimento de ferritas de cobalto para aplicações no encapsulamento de sensores em RFe micro-ondas. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.244-245, 2013 244 2. Conformação das amostras: Foram conformadas amostras em formato de toróides para a avaliação das características eletromagnéticas. Essas foram submetidos à pressão de 50 MPa, em prensa uniaxial. 3. Sinterização das amostras: As amostras conformadas foram sinterizadas com patamar de 1300 ºC por 2 horas e taxa de aquecimento de 200 oC/h. 4. Acabamento: As amostras sinterizadas passaram por retífica com o objetivo de ajustar as dimensões de seus diâmetros para a etapa de caracterização eletromagnética. 5. Caracterização eletromagnética: As amostras tiveram suas características eletromagnéticas determinadas por meio de um analisador de redes, operando na faixa de frequência proposta (2 GHz à 4 GHz). Resultados A Figura 2 apresenta os resultados obtidos na caracterização eletromagnética da amostra produzida. Figura 2. Comportamento eletromagnético da amostra de ferrita de Co produzida: A) Permissividade elétrica complexa e B) Permeabilidade magnética complexa. Por meio da Figura 2 nota-se que o material apresenta um comportamento típico de Debye para a parte real da permissividade elétrica (ε'), enquanto que os valores da parte imaginária (ε'') aumentam ao longo da frequência. Os valores de permeabilidade real (µ') mantiveram-se praticamente constantes, e a parte imaginária (µ''), devido à relaxação, apresentou valores próximos a zero para essa faixa de frequência. Conclusões O material produzido apresentou comportamento Debye para ε', enquanto que os valores de ε'', relacionados às perdas, aumentaram ao longo da frequência. Os valores de µ' mantiveramse praticamente constantes. Devido à relaxação da estrutura do material, ocorreu uma queda no valor de µ'' nessa faixa de frequência. Tais características tornam o material apto para aplicação em sensores magnetoelásticos. Agradecimentos Ao IEAv por disponibilizar a infraestrutura necessária e à FAPESP, processo nº2012/01448-2. Referências [1] VIOLIM LEMOS, L. Propriedades eletromagnéticas de amostras policristalinas de CoFe2O4 na faixa de RF e microondas. São José dos Campos, 2010. 90p. Monografia (área de Física e Química dos Materiais Aeroespaciais) - Curso de Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Art.48 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.244-245, 2013 245 PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO DE UM COMPÓSITO CERÂMICO À BASE DE FERRITA E TITANATO DE BÁRIO1 1 R. S. Xavier1,4*; A. P. R. Uchoas2,4; L. A. Genova3; V. L. O. Brito4* Universidade Federal de São Paulo – Bacharel em Ciência e Tecnologia, S. J. Campos - SP 2 Universidade do Vale do Paraíba – Engenharia Química, São José dos Campos - SP 3 Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – Centro de Ciência e Tecnologia de Materiais, São Paulo - SP 4 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos - SP * [rosana.colaborador, vlobrito]@ieav.cta.br Palavras-chave: processamento cerâmico; ferritas; sensores. Introdução Compósitos magneto-elétricos (ME) combinam fases magnetostrictivas e piezoelétricas, podendo ser utilizados na geração de tensões elétricas à partir de campos magnéticos ou tensões mecânicas [1,2]. Assim, compósitos ME podem ser utilizados para a geração de energia a partir de vibrações e campos magnéticos presentes no ambiente, portanto, esses materiais podem ser aplicáveis em sensores de campo magnético e úteis na geração de energia em redes de sensores sem fio [2]. Quanto à microestrutura do compósito cerâmico, recomenda-se que ela seja formada de grãos pequenos e que a porosidade seja mínima, de forma a não prejudicar o acoplamento entre as fases. Os resultados obtidos no projeto “Caracterização da magnetostricção de ferritas de cobalto”, concluído recentemente na EFA motivaram em 2012 o início dos estudos experimentais em compósitos cerâmicos magnetoelétricos à base de ferrita de cobalto e titanato de bário ( ). Neste trabalho de iniciação científica o compósito ME combina a fase magnetostrictiva, na qual foi processada à partir de uma mistura de e , e como fase piezoelétrica o . Neste resumo são descritas as atividades e os resultados obtidos até abril de 2013. Metodologia Experimental Para o processamento da matéria prima, os óxidos de cobalto ( ) e de ferro ( ) foram utilizados como matéria-prima, sendo a composição da ferrita formada por 60% e 40% . Os materiais foram misturados por meio do método de moagem e présinterizados à 850 °C por 4 h. Para o desenvolvimento do compósito ME, foi feita a análise por meio de difração de raios-X do pó de para confirmação da sua composição química. Esta etapa contou com a colaboração do laboratório de polimento da Divisão de Fotônica (EFO). Uma das proporções mais empregadas para as fases do compósito magnetoelétrico é de 15% em volume de ferrita e de 85% de [3]. Seguindo essa estequiometria, foi adicionado à ferrita e em seguida essa mistura (lote 1) passou pelo processo de mistura em moinho excêntrico. Foi feita uma segunda mistura com (lote 2) na qual a ferrita de Co utilizada passou por um segundo tratamento térmico a 1300ºC por 2 h e após isto, foi adicionado à ferrita. Foram realizadas análises térmicas por dilatometria nos dois lotes para simular o comportamento das amostras do compósito ME durante a sinterização. Esta etapa foi realizada com o apoio do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – Centro de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Foram conformadas pastilhas em prensa uniaxial, submetidas à pressão de 50MPa e sinterizadas em temperaturas 1 Projeto: Caracterização da Magnetostricção de Ferritas de Cobalto. II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.246-247, 2013 246 diferentes, selecionadas com base nos resultados dos ensaios de dilatometria. As massas específicas das amostras sinterizadas foram medidas por meio do Método de Arquimedes. A análise microestrutural das ferritas sinterizadas está em andamento e será realizada por meio de microscopia eletrônica de varredura. Resultados e Discussão Na figura 1, são apresentados os resultados das análises térmicas, onde pode-se verificar que o tratamento térmico realizado no pó de ferrita afeta o comportamento do compósito durante a sinterização. 0.020 0.015 L/L0 0.010 0.005 0.000 850°C (1) 850°C + 1300 °C (2) -0.005 -0.010 -0.015 0 200 400 600 800 1000 1200 Temperatura (°C) Figura 1: Resultados da análise dilatométrica dos compósitos ME processado à partir das ferritas dos dois lotes, sendo Lo o comprimento inicial da amostra e ΔL a variação do comprimento. Após a sinterização a 1200ºC por 1h, a amostra do lote 1 apresentou massa específica de 3,47 g/cm³ e a do lote 2 de 3,59 g/cm³. Amostras de + com outras estequiometrias estão sendo processadas e variações nas condições de tratamento térmico estão sendo testadas. Conclusões Os resultados preliminares indicam que a rota de processamento utilizada na ferrita afeta o comportamento do compósito durante a sinterização. Os resultados das análises microestruturais, que estão em andamento, indicarão como essa variação no processamento afeta a microestrutura do compósito. Agradecimentos Ao CNPq, ao laboratório de polimento da EFO/IEAv, e aos integrantes do LSE/IEAv. Referências [1] FETISOV, Y. K.; BUSH, A. A.; KAMENTSEV, K. E.; OSTASHCHENKO, Y.; SRINIVASAN, G. IEEE Sensors Journal, v.6, p.935-938, 2006. [2] PRIYA, S.; RYU, J.; PARK C. S.; OLIVER, J.; CHOI, J. J.; PARK, D. S. Sensors, v.9, p. 6362-6384, 2009. [3] LOKARE, S. A.; PATIL, D. R.; DEVAN, R. S.; CHOUGULE, S. S.; KOLEKAR, Y. D.; CHOUGULE, B. K. Electrical conduction, dielectric behavior and magnetoelectric effect in (x) BaTiO3 + (1-x) Ni0,94Co0,01Mn0,05Fe2O4 composites. Shivaji University, India, 2006. Art.49 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.246-247, 2013 247 ESTUDO DE FRAMEWORKS DE METAHEURÍSTICAS 1 C. A. da Silva Jr1*; A. Passaro2; N. M. Abe2 Universidade Federal de São João del Rei - Departamento de Matemática, S J del Rei – MG 1 Instituto Tecnológico da Aeronáutica – PG/CTE, São José dos Campos – SP 2 Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP *[email protected] Palavras-chave: Otimização, Metaheurística, Framework. Introdução Otimizar processos do mundo real é algo essencial nos dias atuais. As metaheurísticas tem se mostrado eficientes em obter boas soluções para muitos problemas da vida real. A literatura apresenta diversas propostas de frameworks para implementação de metaheurísticas . [3] apresenta um estudo para classificar alguns dos frameworks apresentados na literatura, utilizando um conjunto de 30 características distintas. O modelo de comparação apresentado no trabalho de [3] foi baseado na metodologia de avaliação de tecnologia de software proposta por [1] e também utilizou um método de abordagem sistemático e estruturado, proposto por [2]. O conceito de frameworks é importante, pois eles apresentam uma possibilidade de aplicar várias técnicas de otimização simultâneas, com pouco esforço de desenvolvimento e implementação, além de permitir resolver problemas no processo de otimização. O Laboratório de Engenharia Virtual – LEV, da Divisão de Física Aplicada do IEAv, propôs uma estrutura para um framework de metaheurísticas, mas somente o Algoritmo Genético foi implementado até o momento. Duas novas metaheurísticas deverão ser implementadas na fase inicial deste trabalho visando avaliar a funcionalidade e adequação da estrutura de framework proposta. O trabalho proposto visa contribuir para o desenvolvimento do framework citado, com a inclusão de metaheurísticas adicionais e a adoção de técnicas hibridas de otimização. Esforço adicional deverá ser realizado de forma a atender os aspectos classificatórios apresentados por [3]. Metodologia O trabalho tem início com um estudo detalhado de um conjunto de metaheurísticas e de métodos híbridos para a implementação computacional no framework proposto. Algumas das metaheurísticas consideradas na implementação inicial são Nuvens de Partícula (PSO) e Recozimento Simulado (SA). O trabalho deverá envolver um refinamento de toda a arquitetura do framework considerando, inicialmente, a usabilidade do pacote e os critérios adotados em [3] para avaliação da qualidade de tais ferramentas. Em várias etapas do trabalho deverão ser realizados testes de otimização de modelos e de solução de problemas inversos, com uma análise comparativa do desempenho das diversas metaheurísticas para a resolução de classes de problemas diferentes. Os tipos de problemas a serem considerados ainda estão em avaliação. Resultados e Discussão O trabalho está em sua fase inicial e não existem ainda resultados a serem apresentados. [3] propõem um conjunto de critérios para classificação de frameworks de metaheurísticas, discute 33 frameworks e analisa um conjunto de 10 dessas ferramentas. Dentre os itens II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.248-249, 2013 248 analisados no artigo estão: qual quantidade e tipo de metaheurísticas disponíveis no framework, qual é a técnica de cada metaheurística implementada pela maioria dos frameworks, quais os mecanismos de adaptação dos frameworks atuais a fim de se adequar para resolver um problema, se existe um “núcleo do conjunto dos mecanismos de adaptação” utilizada por mais da metade dos frameworks avaliados, qual framework é mais adequado para se adaptar a resolução de um problema específico, qual combinação de técnicas (abordagens híbridas) é possível quando se utiliza o framework, se a hibridização é amplamente explorada, e qual é o mecanismo mais comum de hibridização nos frameworks. Aspectos considerados na seleção dos 10 frameworks estudados foram: a não melhoria do software ou a não correção de erros apresentados por usuários nos últimos cinco anos; as ferramentas de otimização para serem avaliadas deveriam estar em frameworks implementadas em linguagens voltadas a orientação a objeto, tais como JAVA e C++; a framework deveria suportar pelo menos duas técnicas de otimização diferentes. Apesar do projeto da framework desenvolvido no LEV considerar a uniformização no uso de diferentes metaheurísticas, apenas uma técnica foi efetivamente implementada. Como citado na seção de Metodologia, duas metaheurísticas deverão ser implementadas de imediato visando a primeira reavaliação do projeto proposto. Novas técnicas serão implementadas após a revisão. Tais técnicas podem incluir metaheurísticas para múltiplos objetivos e técnicas de otimização baseadas em confiabilidade do produto final. Os critérios sugeridos por [3] serão foco de atenção especial durante o desenvolvimento, visto que muitos deles são coerentes com a proposta original do framework em desenvolvimento do IEAv. A avaliação da adequação do projeto do framework será feita com a sua aplicação a problemas nos quais o LEV está envolvido atualmente, particularmente na área de sensores e métodos de medição. Conclusões O trabalho aqui apesentado está apenas na fase inicial. Espera-se obter, com os resultados, um framework que atenda conceitos de qualidade aceitos na literatura e que os resultados obtidos nas análises de diferentes problemas venham a contribuir para a futura implementação de uma solução computacional para hiper heurísticas [5]. Agradecimentos Ao IEAv, ITA e à UFSJ e, em particular a todos os colegas do LEV que, de uma forma ou outra, vêm contribuindo para o desenvolvimento do trabalho. Referências [1] BROWN, A.W., WALLNAU, K. C. A framework for evaluating software technology. IEEE Softw 13(5):39–49. doi:10.1109/52.536457, 1996. [2] KITCHENHAM, B. A. Procedures for undertaking systematic reviews.Tech. rep., Computer Science Department, Keele University. 2004. [3] PAREJO, J. A., CORTÉS, A. R., LOZANO, S. and FERNANDEZ, P. Metaheuristic optimization frameworks: a survey and benchmarking, Springer-Verlag, , Soft Comput DOI 10.1007/s00500-011-0754-82011. [4] TALBI, E., Metaheuristics. From Design to Implementation, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2009, 593p. [5] BURKE, E.K; et.al. A Survey of Hyper-heuristics, Computer Science Technical Report n. NOTTCS-TR-SUB-0906241418-2747, School of Computer and Information Technology, University of Nottingham, 2009, 43p. Art.50 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.248-249, 2013 249 Índice de autores A A. Assis ......................................................................... 80 A. Aumiller ................................................................... 65 A. C. C. Migliano .. 50, 125, 141, 145, 158, 186, 239, 241, 245 A. C. de Oliveira ......................................................... 243 A. C. M. Prado ............................................................ 151 A. E. O. Ferraz ............................................................ 233 A. F. N. Boss ............................................................... 145 A. J. Abdalla.................................................. 98, 191, 229 A. J. Damião .............................................. 22, 33, 45, 237 A. K. Hirata ................................................................... 50 A. P. L. Guimarães ...................................................... 243 A. P. R. Uchoas ........................................................... 247 A. Passaro........................................ 39, 56, 174, 196, 249 A. S. R. Ferreira .......................................................... 237 B B. A. Cunha................................................................. 245 B. T. Sais ....................................................................... 70 C C. A. da Silva Jr .......................................................... 249 C. A. Federico ............................................................. 151 C. L. Santos ................................................................. 119 C. S. T. Marques ................................................... 16, 213 C. T. Fernandes ............................................................. 56 D D. A. S. Borges ........................................................... 102 D. C. Chagas ............................................................... 119 D. C. Vieira ................................................................. 158 D. Carinhana Jr.................................................... 164, 243 D. F. Carraro ............................................................... 102 D. M. Adamis .............................................................. 114 D. M. Pedroso ............................................................. 196 D. V. V. Cardoso ........................................................... 75 E E. H. Shiguemori ...... 80, 85, 108, 114, 131, 135, 202, 219 E. M. Fraga.................................................................. 108 F F. A. Souza .................................................................. 237 F. B. C. Machado .................................................. 75, 180 F. Dondeo .......................................................... 61, 65, 70 F. F. de Araújo ............................................................ 186 F. H. Oliveira .............................................................. 151 F. L. L. Medeiros......................................................... 114 F. Nascimento ............................................................... 33 G G. C. C. Correard .......................................................... 10 G. de Vasconcelos ......................................... 98, 119, 225 G. N. Marques ............................................................... 39 G. P. Zanella........................................................ 141, 239 G. S. Vieira.................................................................. 235 H H. A. Vieira ................................................................. 169 H. H. C. Pereira ............................................................. 92 H. R. Simoni................................................................ 229 H. S. Oliveira .............................................................. 119 I I. K. L. Kam .................................................................. 14 J J. A. S. Medeiros ......................................................... 158 J. B. R. Santos ....................................................... 16, 213 J. C. Arisseto ................................................................. 61 J. C. Baesso ................................................................... 22 J. C. M. Minatti ............................................................. 80 J. C. Minatti ................................................................ 237 J. E. C. Cruz ................................................................ 202 J. F. Cipeli ..................................................................... 92 J. G. A. B. Simões ....................................................... 231 J. J. de Farias Neto ...................................................... 169 J. S. Neto ....................................................................... 56 J. S. Santos .................................................................... 85 L L. A. de Almeida ......................................................... 169 L. A. Genova............................................................... 247 L. C. Silva ..................................................................... 16 L. dos A. Cunha ............................................................ 75 L. F. A. Ferrão .............................................................. 75 L. G. Barreta ............................................................... 233 L. G. Oliveira .............................................................. 119 L. K. Sperotto................................................................ 39 L. M. Vialta................................................................. 164 L. N. F. Guimarães ...................................................... 202 L. O. F. Silva............................................................... 131 L. T. Miranda ................................................................ 22 L. V. Lemos .................................................................. 50 M M. F. Mendonça .......................................................... 235 M. G. M. Rodrigues .................................................... 108 M. Habermann ............................................................ 135 M. J. P. Lamosa ............................................................ 85 M. M. de Carvalho ........................................................ 28 M. S. Amarante ........................................................... 239 M. S. F. Lima ...........................................10, 14, 229, 231 M. S. Moraes............................................................... 207 M. Y. A. Itoyama ........................................................ 191 N N. M. Abe ........................................................... 174, 249 O O. L. Gonçalez ...................................................... 92, 151 O. Roberto-Neto.................................................... 75, 180 P P. S. Patrício ................................................................. 45 P. S. Silva Jr. ............................................................... 207 Q Q. C. Eller ........................................................... 114, 219 R R. A. Pena ................................................................... 135 R. A. Rebouças ........................................................... 135 R. C. Lopes ................................................................. 235 R. F. K. Spada ............................................................... 75 R. G. A. de Lima ................................................. 125, 145 R. M. Castro ................................................................ 207 R. M. Oliveira ............................................................. 229 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.250-251, 2013 250 R. Riva ........................................................................ 231 R. S. Xavier ................................................................. 247 R. Y. Tanaka ......................................................... 39, 174 S S. A. Cunha ......................................................... 239, 241 S. A. Lourenço ............................................................ 158 S. Khouri ....................................................................... 98 S. M. Rovetta ................................................................ 98 S. O. Souza .................................................................... 85 T. L. S. Correa ............................................................ 225 V V. A. Sousa ................................................................. 219 V. L. O. Brito .................................................50, 241, 247 V. Leite ......................................................................... 80 V. S. F. O. Leite .......................................................... 102 V. Teleginski ............................................................... 119 W W. Miyakawa ........................................................ 98, 231 T T. A. F. Ganga ............................................................... 28 Art.51 II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.250-251, 2013 251