Livro de Resumos, versão para download. - IEAv

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ISSN 2175-2729 (impresso)
IV SICI
IV Seminário de Iniciação Científica do IEAv
Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica
e
Pós-Graduação do IEAv
São José dos Campos – SP
2010
Volume 1 – Ago/2009 – Jul/2010
© 2010 Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte.
A publicação inclui os trabalhos apresentados no IV Seminário de Iniciação Científica do
IEAv – IV SICI.
Publicado por:
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Endereço:
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Comunicação Social – CCS. Tel. (12) 3947-5360, [email protected].
Editores:
Dr. Getúlio de Vasconcelos – EFO
Daniele Cristina Chagas
Dr. Abel Antonio da Silva – ENU
Dr. Elcio Hideiti Shiguemori – EGI
Dra. Vera Lucia Othero de Brito - EFA
Dr. Mauricio Antoniazzi Pinheiro Rosa – EAH
Dr. Ruy Morgado de Castro (coordenador) – EGI
Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite – EST
Rosilene Maria de Mendonça da Costa
Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv
- vol.1 (ago/2009 – jul/2010) - São José dos Campos: IEAv, 2010
Anual
ISSN 2175-2729
Inclui: Anais do IV Seminário de Iniciação Científica do IEAv – IV SICI
1. Iniciação Científica – Congresso. 2. Pesquisa Científica. 3. Ciência e Tecnologia.
IV SICI – An. Semin. Anual Inic. Científica e Pós-Graduação do IEAv, v.1, Ago/2009 – Jul/2010
2
IV SICI 2010
IV Seminário de Iniciação Científica do IEAv
e
Pós-Graduação do IEAv
Volume 1 – Ago/2009 – Jul/2010
São José dos Campos – SP
2010
3
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Direção
Cel Eng Marco Antonio Sala Minucci
Diretor do IEAv (EDR)
Ten Cel Av Orlando Alves Maximo
Vice-Diretor Administrativo (EVA)
Ten Cel Av Carlos Fernando Rondina Mateus
Vice-Diretor Técnico (EVT)
Comissão Organizadora do SICI
Comitê Institucional PIBIC/IEAv
Comissão Científica
Realização
Apoio
4
IV SICI 2010
e Pós-Graduação do IEAv
Volume 1 - 2010
Editorial .................................................................................................................................................................. 7
O Evento ................................................................................................................................................................. 8
Palestra Convidada................................................................................................................................................ 10
APLICAÇÃO DE LUBRIFICANTES SÓLIDOS (NEGRO DE FUMO) E TRATAMENTO TÉRMICO
SUPERFICIAL DE TÊMPERA EM MATRIZES DE AÇO AISI 4340 VIA LASER DE CO2 ........................... 11
PRODUÇÃO DE TUBOS E PARAFUSOS DE CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO..................................... 16
ESTUDO DO PROCESSO DE SOLDAGEM A LASER DE BLANKS AUTOMOTIVOS ............................... 19
OTIMIZAÇÃO DAS AMOSTRAS CURADAS DE RESINA FURFURÍLICA ................................................. 23
RECOBRIMENTO DE AÇO AISI 4340 COM CARBETO DE BORO VIA LASER DE CO2 .......................... 27
DESENVOLVIMENTO DE SUBSTRATOS DE CARBETO DE SILÍCIO ....................................................... 31
SISTEMA DE AVALIAÇÃO DE PERMISSIVIDADE ELÉTRICA DE LÍQUIDOS COMBUSTÍVEIS.......... 33
ANÁLISE DOS PARAMETROS DE ESPALHAMENTO DO PORTA AMOSTRA MICROSTRIP PARA
MEDIDAS DE PERMEABILIDADE E PERMISSIVIDADE COMPLEXAS DE FILMES FINOS.................. 35
SENSOR MAGNETOELÁSTICO À BASE DE CERÂMICA NiCo .................................................................. 37
SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE AUXÍLIO A ENSAIOS DE EMISSÃO CONDUZIDA .... 39
UTILIZAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DE MARCOS PARA O RASTREAMENTO EM IMAGENS DE
NAVEGAÇÃO AÉREA AUTÔNOMA............................................................................................................... 41
ESTUDO TEÓRICO DE UM SISTEMA PARA COMPRESSÃO E EXPANSÃO DE ESCOAMENTOS
REATIVOS COM APLICAÇÕES EM HIPERSÔNICA ..................................................................................... 43
MODELAGEM DA IRRADIÂNCIA DE UMA ESFERA INTEGRADORA..................................................... 45
ANÁLISE DE ENERGIA DE PULSOS ÓPTICOS NÃO-LINEARES ............................................................... 47
OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS DE DETONAÇÃO E DE DETECÇÃO DA EMISSÃO DE OH* E H2O*
PARA UM SISTEMA DE DETONAÇÃO PULSADA ....................................................................................... 49
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CARBONITRETAÇÃO À PLASMA NAS PROPRIEDADES DE UM AÇO
ABNT 4340 COM MICROESTRUTURA MULTIFÁSICA................................................................................ 51
INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS DEDICADOS AO ESTUDO DO EFEITO DA
RADIAÇÃO IONIZANTE EM COMPONENTES ELETRÔNICOS E FOTÔNICOS DE USO
AEROESPACIAL................................................................................................................................................. 53
ESTUDO DA COMBUSTÃO DO GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO (GLP) PELA TÉCNICA DE
FLUORESCÊNCIA INDUZIDA POR LASER PLANAR (PLIF)....................................................................... 55
DETERMINAÇÃO DE TEMPERATURA POR MEIO DA COMPARAÇÃO DE ESPECTROS TEÓRICOS E
EXPERIMENTAIS............................................................................................................................................... 57
CARACTERIZAÇÃO DE PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE COMPÓSITOS DE SBS E
POLIANILINA OU NEGRO DE FUMO CONDUTOR NA FAIXA DE RF E MICROONDAS....................... 59
PROCESSAMENTO DE IMAGENS OBTIDAS COM DIFERENTES ÂNGULOS DE VISADA PARA
APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA............................................................................................... 61
DETERMINAÇÃO DE TEMPERATURA DE CHAMA E MAPEAMENTO DO RADICAL CH* .................. 63
CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES DE INFRAVERMELHO NANOESTRUTURADOS .......................... 65
5
MONITORAÇÃO DE CLUSTER HETEROGÊNEO E NÃO DEDICADO: UMA INTERFACE GRÁFICA
MULTIPLATAFORMA PARA O SISTEMA ROME ......................................................................................... 67
ANÁLISE NUMÉRICA DO DISPOSITIVO STRIPLINE .................................................................................. 69
CARACTERIZAÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE FERRITAS DE ALTA MAGNETOSTRICÇÃO
DOPADAS COM COBRE ................................................................................................................................... 71
PARÂMETROS DE FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DE TESLA OPERANDO A AR
COMPRIMIDO..................................................................................................................................................... 73
RECOBRIMENTO DE SUPERFÍCIES CILINDRICAS COM NEGRO DE FUMO VIA LASER DE CO2 ...... 75
SIMULADOR DE ESPECTROS DE EMISSÃO DO RADICAL C2* ................................................................. 77
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE FERRITAS NiZn ..................... 79
ESTUDO DE DANOS DE RADIAÇÃO EM CIRCUITOS AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (AmpOp)81
SOFTWARE MULTIPLATAFORMA PARA SIMULAÇÃO DE NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS
A POÇOS QUÂNTICOS...................................................................................................................................... 83
UMA INTERFACE GRÁFICA PARA ANÁLISE DE SIMULAÇÕES DE PLASMAS UNIDIMENSIONAIS 85
ENDURECIMENTO SUPERFICIAL DE UM AÇO FERRAMENTA PARA TRABALHO A FRIO VC131... 87
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE GRÃO NA FACILIDADE DE IDENTIFICAÇÃO DE
BANDAS EM ESPECTROS RAMAN DE DENTES BOVINOS ....................................................................... 89
DEFINIÇÃO DE REGIÕES IONOSFÉRICAS UTILIZANDO RELAÇÃO NEBULOSA ................................ 91
PARÂMETROS DE FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DE TESLA OPERANDO A AR
COMPRIMIDO..................................................................................................................................................... 93
CONVERSÃO DOS ND´S EM RADIÂNCIA E TEMPERATURA DE IMAGEM DE SENSORIAMENTO
REMOTO TERMAL ............................................................................................................................................ 95
SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE ESCOAMENTOS NA TUBEIRA E SEÇÃO DE TESTES DO TÚNEL
HIPERSÔNICO T2 DO IEAv .............................................................................................................................. 97
Índice de autores ................................................................................................................................................... 99
6
Editorial
Desde sua inauguração há 28 anos, o Instituto de Estudos Avançados, considera a formação
de recursos humanos qualificados, como um de seus objetivos. Com esta visão, a iniciação
científica 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
institucionais. Com a grande procura de novos alunos de graduação pela pesquisa durante
esses 4 últimos anos, nesse ano para o programa 2010-2011 conseguimos aumentar nossa
quota de bolsas para 21.
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, sejam
elas incentivadas por outros órgãos de fomento ou mesmo por voluntariedade. Como forma de
incentivo também, o seminário engloba as formas de divulgação científicas usuais e será
concedido um Prêmio ao Melhor Trabalho de Iniciação Científica do IEAv.
Acreditamos que a realização deste quarto simpósio demonstra a grande responsabilidade que
a manutenção e a condução de um Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Científica
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 IV Seminário de Iniciação Científica do IEAv.
Comissão Organizadora do IV SICI 2010.
7
O Evento
Este é o quarto seminário de iniciação científica do IEAv, que acontece em São José dos
Campos no dia 04 de agosto de 2010. O IV SICI 2010 tem como objetivo apresentar e discutir
com a comunidade, os trabalhos desenvolvidos pelos alunos de graduação de diversas
universidades, junto aos projetos da Instituição. O evento é composto por palestras de curta
duração de pesquisadores do IEAv, abordando temas relacionados aos projetos de iniciação
científica, bem como, dos alunos, nas quais serão apresentados os trabalhos de pesquisa
desenvolvidos durante o ano. Haverá também uma sessão de pôster, onde ficarão expostos os
trabalhos durante todo o evento.
Os trabalhos de iniciação científica estão dentro das áreas de atuação da Instituição:
Aerotermodinâmica e Hipersônica, Energia Nuclear, Física Aplicada, Fotônica e
Geointeligência.
Foram inscritos 40 resumos de pesquisa que depois de revisados por uma comissão científica,
foram considerados aceitos para o evento. Dentre eles, 7 são da Divisão de
Aerotermodinâmica e Hipersônica (EAH), 14 da Divisão de Física Aplicada (EFA), 10 da
Divisão de Fotônica (EFO), 4 da Divisão de Energia Nuclear (ENU) e 5 são da Divisão de
Geointeligência (EGI).
Os resumos expandidos que compõem este Livro são resultados dos projetos de iniciação
científica desenvolvidos por alunos ligados às universidades próximas e da região do Vale do
Paraíba: UBC (8), ITA (7), UNESP (6), UNIVAP (5), UNITAU (3), FATESF (2), ETEP (2),
EEL-USP (1), UNIP (1) e IEAv (5). A maioria dos alunos que participarão desse evento pôde
contar com o apoio financeiro das agências de fomento: PIBIC/CNPq e FAPESP.
Nesta edição do SICI, em razão da qualidade dos trabalhos dos nossos alunos e do crescente
aumento do número de contribuições, superior a 70% em relação ao ano anterior, solicitou-se
o registro do nosso caderno de publicações junto a Biblioteca Nacional. Outro fator que
também nos motivou foi à contribuição dos alunos participantes do programa de pósgraduação, 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 impar, de reunir em uma
única publicação todos os trabalhos desenvolvidos aqui no IEAv. Embora, o número de
contribuições dos alunos de pós-graduação não reflita ao número total de trabalhos em
desenvolvimento pelos alunos do IEAv, espera-se que nas próximas edições deste periódico,
seja contemplada com um número ainda mais significativo de contribuições.
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
IV SICI e decidiu-se por unanimidade registrar no ISSN (Internatinal Standard Serial
Number) com o título SICI: Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e PósGraduação do IEAv. Esse novo perfil, naturalmente adquirido, tendo em vista as
coloborações científicas recebidas pela comissão do IV SICI, 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 IV SICI possa oferecer à comunidade
científica do IEAv, em especial aos alunos que desenvolvem trabalhos de iniciação científica
8
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 IV SICI 2010.
9
Palestra Convidada
Pós Graduação do IEAv
Prof. Dr. Nicolau André Silveira Rodrigues
10
APLICAÇÃO DE LUBRIFICANTES SÓLIDOS (NEGRO DE FUMO) E
TRATAMENTO TÉRMICO SUPERFICIAL DE TÊMPERA EM
MATRIZES DE AÇO AISI 4340 VIA LASER DE CO21
D. C. Chagas1*; A. N. Dias1; E. F. Antunes2; G. Vasconcelos3
Universidade do Vale do Paraíba - UNIVAP, S.J. dos Campos, SP, Brasil
2
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE, LAS, S.J. dos Campos, SP, Brasil
3
Instituto de Estudos Avançados - IEAv, EFO-L, S.J. dos Campos, SP, Brasil
*[email protected]
1
Palavras-chave: Laser de CO2, negro de fumo, têmpera superficial, aço AISI 4340.
Introdução
A aplicação de revestimentos foto-absorvedores é uma prática comum, principalmente,
quando lasers de baixa densidade de energia são utilizados. Estes materiais, normalmente,
MoS2, grafita e negro de fumo, favorecem o acoplamento da radiação incidente, reduzindo as
perdas por reflexão, comuns ao processo, quando lasers de CO2 são utilizados como fonte de
radiação.
Em trabalhos anteriores, utilizando-se revestimentos de grafita, observou-se que parte deste
revestimento, após a irradiação, permanecia na superfície do metal. Em ensaios de pino sobre
disco, observou-se a redução do coeficiente de atrito em superfície com este recobrimento.
REIS, J. L., em 2009 [1], observou que ocorria também à têmpera superficial, mesmo
utilizando lasers de baixa densidade de energia. Este processo de têmpera foi atribuído ao
melhor acoplamento na região de interação do feixe com a superfície do metal. A têmpera por
laser consiste no aquecimento e resfriamento rápido da superfície do aço. Se a densidade da
potência for suficiente, uma camada na superfície do aço irá atingir a temperatura de
austenitização (durante o aquecimento), e posteriormente com o resfriamento rápido, ocorrerá
a formação de martensitas [2]. A profundidade da camada tratada é determinada pela lei da
condutividade térmica, onde ocorre a propagação de calor de uma região de maior
temperatura para uma região de menor temperatura [3]. A têmpera a laser permite o
endurecimento superficial de áreas específicas com profundidade controlada e com
deformações mínimas na superfície quando comparado a outros métodos. Promove também,
melhora nas propriedades mecânicas como resistência a fadiga, atração, desgaste (redução do
fator de atrito) e aumento da resistência a corrosão [4-5].
Neste trabalho será avaliada a utilização do negro de fumo em substituição a grafita utilizada
no trabalho de REIS, J. L. (2009) [1], visando eliminar na etapa de preparação da solução, a
moagem em moinhos de alta energia.
Metodologia
O aço utilizado neste trabalho é o AISI 4340. Sua composição química foi avaliada através do
espectrômetro de emissão ótica (Thermo Scientific), Modelo ARL 3460 OES Metals
Analyzer, apresentada na Tab. 1.
Projeto: Aplicação de lubrificantes sólidos (negro de fumo) e tratamento térmico superficial de têmpera em
matrizes de aço AISI 4340 via laser de CO2.
1
11
Tabela 1: Composição química do aço 4340 - % massa
Fe
C
Mn
Si
Cr
Ni
Mo
Aço
4340
95.79
0.361
0.638
0.261
0.794
1.702
0.221
P
S
0.024
0.008
O negro de fumo é formado por partículas finas obtidas pelo processo de pirólise ou
combustão parcial de hidrocarbonetos gasosos ou líquidos. Apresenta estrutura nanoparticulada, que favorece o recobrimento com camadas finas em áreas mais extensas [6]. O
formato das partículas foi observado por microscopia eletrônica de varredura (MEV – Zeiss/
EVO MA10), conforme apresenta a Fig. 1.
O tamanho de partícula do lubrificante pode influenciar na espessura da camada depositada e
no revestimento após a irradiação com o feixe de laser. A fim de se determinar a distribuição
de tamanho das partículas, o negro de fumo foi submetido a analise granulométrica, através
do ensaio por difração a laser (CILAS 1064L, intervalo de 0,04 a 500µm). Os resultados desta
analise são apresentados na Fig. 2.
Figura 1: MEV das partículas de
negro de fumo (1320X).
Figura 2: Histograma da distribuição
granulométrica do negro de fumo.
Amostras de aço AISI 4340 com espessura 3mm e diâmetro de 20mm, previamente lixadas
(lixa 600), foram recobertas com solução preparada com 10g de negro de fumo e 0.1g de
carboxilmetilcelulose em 100ml de álcool etílico. Esta solução foi agitada mecanicamente por
20 minutos, num recipiente plástico com esferas metálicas, para a homogeneização da
solução. Posteriormente, a solução foi aspergida com pistola pneumática sobre a superfície
das amostras de aço previamente aquecidas a 60ºC. Em seguida, irradiou-se as amostras com
feixe de laser de CO2 (50W) e diâmetro do feixe de 300µm. Na região de ação do feixe sobre
as superfícies das amostras, utilizou-se um fluxo de nitrogênio para evitar a oxidação. A Fig.
3 apresenta o laser utilizado e a Fig. 4, o diagrama do arranjo experimental do processo de
tratamento.
12
Figura 3: Laser de CO2. Em destaque, na
caixa retangular vermelha, localizam-se os
espelhos galvanométricos.
Figura 4: Arranjo experimental do
processo. O feixe de laser é guiado por um
conjunto de espelhos galvanométricos
comandados por um software.
A velocidade de varredura do feixe de laser (mm/s), a resolução em pulsos por polegada (ppp)
e o número de ciclos de aquecimento (NCA) a serem utilizados neste experimento, foram
selecionados a partir de testes previamente realizados [7]. A Tab. 2 mostra os parâmetros do
feixe de laser utilizados no tratamento das amostras. A Fig. 5 ilustra o esquema do processo
de tratamento, com feixe de laser, das amostras previamente recobertas com negro de fumo.
Tabela 2: Parâmetros do laser utilizados para a
têmpera superficial do aço AISI 4340.
Amostras
P1
P2
P3
Velocidade Resolução
(mm/s)
(ppp)
40
300
60
300
80
300
Número
de Ciclos
5
5
5
Figura 5: Esquema do
processo de recobrimento.
Resultados e Discussão
Das amostras irradiadas de acordo com a Tab. 2, selecionou-se aquela que apresentou menor
ablação superficial e maior extensão da camada tratada. Estes parâmetros foram avaliados por
medidas de rugosidade e microscopia óptica, respectivamente. A Fig. 6 apresenta a secção
transversal da região tratada da amostra P2.
A
B
Figura 6: Secção transversal da superfície irradiada da amostra P2.
Microscopia ótica a) MO-200X, b) MO-500X.
13
O valor médio da microdureza do aço AISI 4340 sem o tratamento térmico é de 286 Hv0,5.
Após o tratamento térmico com laser de CO2, pode-se observar que a dureza do material
aumentou expressivamente, atingindo uma média da ordem de 760 Hv0,5. A Fig. 7 apresenta o
perfil de microdureza da secção transversal da região tratada. Estes resultados foram obtidos
por meio do microdurometro Future-Tech/ FM-700.
Figura 7: Perfil de microdureza da secção transversal da região tratada, após tratamento via
laser com revestimento de negro de fumo.
De acordo com Fig. 7, observa-se aumento da dureza, ocorrido devido ao processo de têmpera
superficial, decorrente do aquecimento e resfriamento rápido da amostra.
A amostra foi submetida a ensaios tribológicos para se determinar do coeficiente de atrito. Os
parâmetros utilizados no ensaio foram: velocidade linear igual a 10 cm/s, raio da pista de
5mm, esfera de aço 52100 com 6mm de diâmetro, número de voltas igual a 2000 e carga igual
a 5N. Neste teste, a amostra é apoiada em um suporte de rotação e pressionada com uma
esfera de aço com carga conhecida, conforme apresenta o esquema da Fig. 8. Em seguida, a
amostra é rotacionada para avaliar o atrito, e os resultados obtidos através dos ensaios
tribológicos, são apresentados na Fig. 9.
Figura 8: Desenho
esquemático do teste de
tribologia.
Figura 9: Curvas dos coeficientes de atrito do aço 4340
com (superior) e sem revestimento (inferior).
Conclusão
Os experimentos realizados indicam que a utilização do negro de fumo auxilia na absorção da
radiação incidente ao aço. Influência na alteração da microestrutura superficial e promove a
14
têmpera da superfície e ainda a fixando-se à superfície do aço. A extensão da camada tratada e
sua microestrutura podem ser controladas mediante a variação dos parâmetros do laser. A
região temperada apresentou microestrutura homogênea e com profundidades de camadas
tratadas com até 3 vezes a dureza superficial do aço. No ensaio tribológico, observou-se que a
amostra sem revestimento apresenta um maior coeficiente de atrito de 0,70 e as amostras
revestidas com negro de fumo e posteriormente tratadas com laser, apresentam coeficiente de
atrito da ordem de 0,25.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa PBIC oferecida, ao Grupo DEDALO-IEAv, ao Prof. Dr. J. R. Martinelli
do IPEN-USP e ao Eng. A. Zanatta do CCM-ITA.
Referências Bibliograficas
[1] REIS, J. L., Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO2. 2009. 104f.
Tese de mestrado em Física e Química dos Materiais Aeroespaciais, Instituto Tecnológico de
Aeronáutica, São José dos Campos.
[2] Ganeev, R. A., Low-power laser hardening of steels, Journal of Materials Processing
Technology, 121(2002), 414-419.
[3] Benedeck, J.; Shachrai, A.; Levin, L., Case hardening of steel by a CO, laser beam, Optics
and Laser Technology. October 1980.
[4] Dohotre, N. B., Lasers in Surface Engineering: Surface Engineering Series, Volume 1,
ASM International – The Materials Information Society, 1998, Chapter 1 and 3.
[5] Machado, I. F., Technological advances in steels heat treatment, Journal of Materials
Processing Technology, 172(206), 160-173.
[6] Informe Setorial Nº09-Complexo Químico, Negro de Fumo, BNDES- Janeiro de 98.
[7] Chagas, D. C.; Dias, A. N.; Vasconcelos, G.; Antunes, E. F., Tratamento superficial de
têmpera e recobrimento com negro de fumo do aço AISI 4340 via laser de CO2. ISSN 19831544. Ativ.P&D IEAv, v.3, p.84, mar/2009-fev/2010.
15
PRODUÇÃO DE TUBOS E PARAFUSOS DE CARBONO VÍTREO
MONOLÍTICO
1
F. Nascimento¹; A. J. Damião²*; F. D. Origo²*
Universidade do Vale do Paraíba – UNIVAP – São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv – São José dos Campos – SP
*{damiao, dondeo}@ieav.cta.br
Palavras-chave: Carbono Vítreo, resina furfurílica, tubos, camada por camada, rede.
Introdução
O carbono vítreo (CV) é um polímero pertencente à classe dos materiais carbonosos. Possui
como matéria-prima principal (precursor) um polímero termorrígido, neste caso, a resina
furfurílica (RF), que, após polimerização e carbonização (para eliminação de voláteis) dará
formação ao composto [1]. O método mais utilizado na produção de amostras de carbono
vítreo consiste em se vazar certa quantidade de resina furfurílica, com pequena porcentagem
de catalisador num molde. A resina endurece devido à sua polimerização. Na etapa seguinte, a
amostra deve ser lentamente aquecida num forno até cerca de 1050ºC onde é curada e
carbonizada, se transformando em carbono vítreo monolítico (isento de poros). Além do
método convencional, é apresentado um método alternativo que dispensa o uso de moldes: a
resina, com baixa viscosidade, é aplicada sobre uma superfície com o auxílio de uma trincha.
Durante a etapa de polimerização, no método descrito acima, existe a formação de gases
voláteis que formam bolhas no interior do material (a presença de bolhas compromete a
qualidade da superfície e também as propriedades mecânicas das peças obtidas em carbono
vítreo) [2]. Pretendemos verificar se por este novo método layer-by-layer existe redução na
porosidade do carbono vítreo obtido. Este trabalho faz parte de um projeto Finep protocolo
nº257 chamado Espelhos e estruturas mais leves para o setor aeroespacial, realizado no
IEAv, que visa obter peças e estruturas mais leves para o setor aeroespacial através do CV. O
propósito do trabalho é desenvolver partes de carbono vítreo que posteriormente serão
transformadas em tubos, elementos de fixação e suportes que irão constituir a estrutura dos
conjuntos ópticos aeroespaciais a serem montados.
Metodologia
A resina furfurílica foi misturada ao catalisador ácido paratoluenosulfônico (APTS), da ordem
de 2% sobre a massa do precursor. A mistura foi homogeneizada, durante 5 minutos, em um
agitador mecânico Jensen Tools Inc, modelo 334B500, e em seguida, centrifugada durante 7
minutos a 3000 rpm em um Fanem Centrifugador, modelo 204 NR. Na sequência, a mistura
foi vertida em moldes com formato de tubos. O método camada sobre camada foi feito através
de duas maneiras:
a) Utilizando um minitorno: Em um torno mecânico fixou-se um tubo de papelão e aplicouse camadas de RF - de viscosidade baixa, aproximadamente 1125 MPa.s - com uma trincha
sobre sua superfície. Um aquecedor manteve a superfície deste tubo a temperatura
aproximada de 50ºC. Conforme o tubo girava, a camada de resina iniciava sua polimerização
por efeito do catalisador e do calor aplicado. Uma nova camada foi aplicada, repetindo-se o
ciclo até que a espessura desejada - preferencialmente menor que 7 mm - fosse atingida.
Nessas amostras não houve necessidade de remoção do tubo, já que o papelão pode ser
carbonizado juntamente com amostra de carbono vítreo. O minitorno é apresentado na Fig. 1.
16
Figura 1: A) tubo de papelão; B) aplicação de resina furfurílica com pincel; C) resistência
aquecedora.
b) Utilizando uma tela: Nesse método foi utilizado um tubo de polipropileno e na sua parte
externa a RF foi pincelada com uma trincha. A aplicação da primeira camada foi feita no
sentido longitudinal do tubo e, após a pré-secagem (aguardado aproximadamente 15 min) foi
aplicada a segunda camada, esta no sentido axial do mesmo. Esse procedimento foi repetido
por até 6 etapas, sempre uma pincelada no sentido perpendicular a outra - formando uma rede
- e aguardado o mesmo tempo de secagem. Este método teve como vantagem a polimerização
à temperatura ambiente, contudo, o intervalo entre as demãos foi maior. A remoção do tubo
que serviu de suporte para a resina pode ser feita antes ou depois da cura. Esta etapa esta
ilustrada na Fig. 2.
Figura 2: Molde de polipropileno (esquerda), amostra polimerizada no cilindro (centro) e
fora dele (direita).
Utilizou-se um forno tubular EDG, ilustrado na Fig. 3, com taxa de aquecimento de
0,1ºC/min controlado pelo software FLYCON. As amostras foram curadas (~200°C),
carbonizadas (~630°C) e grafitizadas (~900°C). Todo este processo foi acompanhado pela
curva de aquecimento do forno.
Figura 3: Forno tubular da EDG, após implantação (direita) e após etapa de grafitização
(esquerda).
Um dos problemas encontrados no método utilizando um minitorno, apresentado na Fig. 4,
mostra que se for aplicado calor em excesso sobre a superfície, existirá o efeito indesejado de
17
formação de uma superfície irregular e com macroporos abertos. Para esta amostra, a fonte de
calor empregada foi um secador industrial com capacidade de atingir até 200°C. Amostras da
resina curada podem ser vistas na Fig. 5.
Figura 4: Superfície rugosa do tubo, devido ao excesso de calor aplicado.
A Figura 2 apresenta um tubo de resina furfurílica polimerizada com espessura de
aproximadamente 1 mm sobre um tubo de polipropileno. Pode-se observar que a superfície da
amostra é bastante uniforme quando comparada com as amostras da Fig. 4 e da Fig. 5. Os
resultados mostram que é possível obter estruturas tubulares com baixo nível de bolhas
aparentes (porosidade) através desses métodos, inclusive o de camada-por-camada. Embora
tenham sido produzidas formas cilíndricas, esse método pode, com adaptações, ser empregado
para produzir superfícies planas. Nas próximas etapas dessa pesquisa serão feitos
experimentos com camadas de espessura superior a 1 mm empregando o minitorno.
Conclusão
A homogeneização e o tempo de centrifugação são de extrema importância na eliminação de
gases voláteis aprisionados na mistura – a presença desses gases favorecem as trincas na
polimerização e até mesmo, as quebras de peças. Obtém se superfícies planas e homogêneas,
desde que se escolha também, um molde que não se adere à resina, geralmente um polímero
termoplástico. O método camada-por-camada é eficaz desde que controlada a temperatura de
aquecimento da superfície, neste caso, através da resistência elétrica. Amostras carbonizadas
da ordem de 1 mm são extremamente frágeis.
Agradecimentos
À Finep e ao CNPq pelo suporte neste projeto.
Referências Bibliográficas
[1] FERRARI, P. E.; REZENDE, M. C. Carbono polimérico: processamento e aplicação.
Revista Polímeros: Ciência e Tecnologia, v.6, n.4, p.35-42, 1998.
[2] VASCONCELLOS NETO, L. C. Desenvolvimento de espelhos de baixa densidade, São
Paulo, UNIVAP, (Mestrado) (1996).
18
ESTUDO DO PROCESSO DE SOLDAGEM A LASER DE BLANKS
AUTOMOTIVOS1
1
J. C. Magalhães1; M. S. F. Lima2*
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: Laser, soldagem a laser aço carbono, processamento laser, aço automotivo.
Introdução
A soldagem a laser de blanks é um processo de fabricação consolidado para a indústria
automotiva. Usando a potência do laser é possível unir diferentes tipos de aço, diferentes
espessuras, com ou sem camadas protetoras, com elevado nível de flexibilidade. Em
comparação com os métodos tradicionais de soldagem, a soldagem a laser produz cordões de
solda mais estreitos, permitindo melhor prevenção da corrosão e distorções térmicas mínimas.
O processo de soldagem a laser envolve a focalização de um feixe de alta potência sobre uma
pequena área do material, gerando intensidades acima de 104 W.mm-2. Nestes níveis de
potência, o material vaporiza no ponto focal do laser criando uma cavidade chamada keyhole.
Esta cavidade ajuda a transmitir o feixe para dentro do material por reflexões múltiplas, o que
aumenta o acoplamento entre o feixe e o material (aumento da absortividade). Para que o
keyhole seja estável, a pressão de vapor deve se contrapor a tensão superficial e a pressão
hidrostática do líquido nas paredes do canal. Conforme o feixe de laser se desloca para criar o
cordão, o material é continuamente fundido na frente do feixe, fluindo ao redor do keyhole e
solidificando-se na parte posterior da poça de fusão. As características intrínsecas à soldagem
por penetração estabelecem os máximos e mínimos para a velocidade de processo:
velocidades muito altas provocam o desabamento do keyhole, enquanto velocidades muito
baixas causam rebarbas e furos pelo escoamento do líquido. Os defeitos durante a soldagem
por penetração têm sido estudados nos últimos anos. Katayama et al. [1] associaram a
formação de poros durante a solda ponto de aços 316S ao desabamento do keyhole. Segundo
estes autores, o líquido desaba sobre o keyhole e cria uma bolha no líquido próximo a raiz da
solda. Se não há tempo suficiente para que a bolha suba à superfície, ela fica aprisionada no
interior da solda criando uma porosidade. Estes resultados foram corroborados recentemente
[2] por análises de simulação. Outra fonte de porosidades reside nos gases aprisionados no
metal, na qualidade do metal de adição (não usado aqui), nos contaminantes superficiais e nos
próprios gases de proteção. O objetivo do presente estudo é determinar as condições
otimizadas de soldagem a laser, nas quais existe uma alta produtividade com o mínimo de
defeitos.
Metodologia
Os materiais utilizados no presente estudo são chapas de aço-manganês de baixo carbono
(0,0022 C, 0,09 Mn % peso) com espessura de 0,7 e (0,0007 C, 0,11 Mn % peso) com
espessura de 1,4mm. O comprimento da solda foi de 1 metro em todos os casos. Três tipos de
acabamento superficial foram realizados:
1
Projeto: José Carlos Magalhães. Investigação dos mecanismos de geração de porosidades durante a soldagem a
laser de aço para uso automotivo. 2007. Dissertação (Engenharia Aeronáutica e Mecânica) - Instituto
Tecnológico de Aeronáutica. Em curso.
19
-
Chapas galvanizadas com 40 g/m2 de zinco;
Chapas onde a camada de zinco foi retirada por lixadeira manual;
Chapas sem revestimento.
Em cada ensaio, duas chapas com espessuras diferentes e com a mesma condição de
superfície foram soldadas em topo, em um passe, sem arame, utilizando uma estação de
trabalho com laser CO2 Soudronic LPQ-2200 com potência máxima de 8 kW. O diâmetro do
feixe de laser sobre a peça é de cerca de 0,30 mm. As variáveis do processo foram a
velocidade e a porcentagem da potência máxima do laser. Durante o processo de soldagem as
chapas são comprimidas por meio de um sistema chamado Souka, de propriedade da
Soudronic. Um conjunto de roletes aplica uma pressão que esmaga a maior secção (a placa
mais espessa) enquanto comprime uma contra a outra, permitindo um melhor controle do
espaço entre elas (gap). Para a proteção da área de solda, foi utilizado gás hélio puro, com
bico de perfil circular (diâmetro interno de 4 mm) e vazão indicada pelo fabricante (15
l/min.). A inclinação do bico de gás foi de 45° e a sua distância da peça ficou em 3 mm. Os
parâmetros das coordenadas X, Y e Z, foram iguais para todas as soldas deste trabalho. As
soldas obtidas foram analisas por inspeção visual, microscopia óptica, microscopia eletrônica
de varredura (MEV) utilizando detector elétrons retro espalhados, ensaios mecânicos de
conformação Erichsen [3], tração e dureza. Em todos os ensaios, os corpos de prova
analisados foram obtidos aproximadamente na metade da extensão da solda. A inspeção por
microscopia óptica oferece um índice de qualidade sobre a penetração e de porosidades
abertas (furos passantes), os quais são evidentes na extensão do cordão, na microscopia
eletrônica de varredura foi possível identificar a sua microestrutura e fases. No caso da
microscopia óptica, as amostras são obtidas longitudinalmente (o corte segue o meio da solda)
e são observadas as fissuras e porosidades internas, quando elas existem. As amostras foram
atacadas quimicamente com Nital 4%.
A presença de porosidades nas soldas é algo que ocorre esporadicamente, mas é incomum
durante o processo de soldagem sob as condições que foram estudadas. Na Fig. 1 são
apresentados dois cortes longitudinais de cordões, onde foram induzidos defeitos. No caso da
Fig. 1a são porosidades internas ao cordão, as quais apenas são visíveis após o processo
metalográfico e se refletem exteriormente por um baixo índice de conformabilidade
(Erichsen) nos blanks soldados. Por outro lado, os furos como aqueles da Fig. 1b são
evidentes mesmo na inspeção visual.
(a)
(b)
Figura 1: Defeitos em soldagem, (a) porosidade interna e (b) furos.
O formato esférico das porosidades está ligado a captura e liberação de gases [3]. Nas
condições de soldagem onde estes defeitos ocorrem a dinâmica do keyhole é instável e existe
o desabamento da parede líquida sobre o vapor.
20
O processo de soldagem só ocorre em condições muito particulares, sendo sempre necessário
verificar se as condições de serviço estão dentro da janela de processo. Uma janela de
processo típica de um laser contínuo associa duas variáveis de processo com uma determinada
qualidade do cordão. O estudo das cartas de processo para três casos: sem revestimento de
zinco, com revestimento e com a superfície lixada depois do revestimento, são apresentados a
seguir:
(a)
(b)
(c)
Figura 2: Resultado dos ensaios realizados na solda da chapas sem revestimento (a) com
resvestimento (b) e com revestimento lixadas.
Através das cartas de soldabilidade, pode-se observar que existem regiões que apresentam
valores aceitáveis segundo a norma NBR 5902 (Determinação do índice de embutimento em
chapas de aço pelo método de Erichsen), mas pode ser reprovada no critério qualidade, podese otimizar o processo, para a produção de blanks soldados a laser e trabalhar em regiões que
apresentam as melhores condições de cada carta, pode-se também trabalhar com potência e
velocidade elevada, sem comprometer a qualidade do produto fornecido ao cliente, além de
diminuir o tempo de produção e o prazo de entrega. Isto equivale, na prática, a um aumento
de 14% na produtividade por blank. Os blanks galvanizados apresentaram soldabilidade
melhor, se comparados com os outros blanks aqui estudados. Isso ocorre porque o Zinco (Zn)
presente na superfície dos blanks, funde e evapora antes que o próprio aço venha a se fundir,
atuando assim como um escudo a oxidação. Nos ensaios realizados de soldagem
interrompida, onde o feixe é desligado no meio do blank, Fig. 3a e 3b, fica evidente o
borbulhamento do Zn defronte a poça de solda.
(a)
(b)
Figura 3: Fotos obtidas após o ensaio de soldagem interrompida, mostrando o aspecto geral
do cordão (a) e detalhe mostrando a condição da camada de Zn (b).
Vários parâmetros podem ser alterados em uma estação de solda a laser, entre os mais
importantes podemos destacar: velocidade, potência, focalização e gás de proteção. Com o
aumento da velocidade, a produtividade melhora, porém há uma diminuição na largura do
cordão e dependendo da velocidade não haverá penetração da solda, para que haja penetração
a potência deve ser aumentada, podendo gerar respingos além de aumentar ainda mais a
21
dureza no cordão, o que nem sempre é vantajoso para blanks que serão estampados. O gás de
proteção tem um fator importante, pois protege o material fundido da oxidação, cria uma
atmosfera inerte na região no momento da solda e minimiza o efeito do plasma. O hélio é o
melhor gás para soldagem do aço com laser de CO2 devido ao seu alto potencial de ionização
e sua alta condutividade térmica, permitindo manter a transparência do plasma.
Conclusões
Neste trabalho foi realizado um estudo sistemático do processo de soldagem de blanks de aço
C-Mn em diferentes condições de acabamento superficial e sob a perspectiva da influência da
potência e velocidade de soldagem sobre a qualidade e conformabilidade da solda. Foram
encontradas regiões onde a solda se apresenta de boa qualidade (sem poros e com penetração
suficiente). Viu-se que existe espaço para um aumento da produtividade da soldagem
aumentando-se a velocidade e potência no processo, conservando tanto a conformabilidade
quanto a qualidade da solda. De uma forma geral, os blanks revestidos com zinco apresentam
uma área de aprovação superior aos blanks não-revestidos ou lixados. A hipótese levantada é
a que o Zn protege o aço de oxidação, evaporando-se pouco antes da criação da poça de fusão,
sem contaminar a solda. As analises feitas por Microscopia óptica e MEV indicam que,
independentemente do revestimento, a microestrutura das soldas é aproximadamente a
mesma, não sofrendo praticamente qualquer grande alteração em suas microestruturas mesmo
alterando seus parâmetros, más nas análises de dureza houve uma pequena diferença na região
de solda do material revestido em relação ao não revestido. Também foi visto que o consumo
de gás pode ser reduzido em 25% com a modificação do bico de injeção.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao IEAv, à empresa Soluções Usiminas S&A por disponibilizar seus
recursos materiais e tempo de máquina e também ao AMR/ITA pela ajuda nas análises de
Microscopia Eletrônica de Varredura.
[1] KATAYAMA, S. et al., Pulse shape optimization for defect prevention in pulsed laser
welding of stainless steels. In: INTERNATIONAL CONGRESS ON APPLICATIONS OF
LASERS AND ELECTRO-OPTICS (ICALEO), 1993, p. 487-497.
[2] ZHANG, W. H., Modeling the formation and collapse of a keyhole during laser
welding process, 2002, 141f. Tese (Ph.D.), University of Missouri-Rolla, USA, 2002.
[3] KATAYAMA, S. et all., Elucidation of laser welding phenomena and porosity formation
mechanism. Transactions of the Japanese Welding Research Institute, vol. 23, n. 1, p. 1-3,
2003.
22
OTIMIZAÇÃO DAS AMOSTRAS CURADAS DE RESINA
FURFURÍLICA
S. D. Freire¹; F. D. Origo²; A. J. Damião²
Universidade de Taubaté – UNITAU – Taubaté – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv – São José dos Campos - SP
1
Palavras-chave: Carbono vítreo, resina furfurílica, espelhos de baixa densidade.
Introdução
O carbono vítreo (CV) é classificado como carbonoso de origem polimérica, devido à
utilização de resinas termorrígidas como principal matéria-prima [1]. O CV é um material
formado pela degradação de um polímero termorrígido (resina furfurílica) na qual acontece o
escape dos produtos voláteis por difusão durante a etapa de tratamento térmico. Sua utilização
no setor aeroespacial se deve ao fato da baixa densidade do material.
Este trabalho se destina ao estudo e otimização da cura da resina furfurílica, etapa importante
para a obtenção do Carbono Vítreo. As bolhas que surgem durante as etapas de polimerização
e de cura devem escapar do interior da amostra, caso contrário elas poderão ser fontes de
trincas na etapa de carbonização da resina.
Metodologia
Para a produção das amostras de carbono vítreo utilizou-se resina furfurílica em que se variou
sua viscosidade, em alguns casos a resina era ácida e em outra era neutra de alta e baixa
viscosidade, misturada com ácido para - toluenossulfônico – APTS (catalisador) acelerar a
polimerização. Em um forno tubular EDG com taxa de aquecimento de 0,1 ºC/min e
temperatura máxima de 1300 ºC controlada pelo software chamado FLYCON. A rampa de
aquecimento utilizada para a cura e carbonização das amostras obtidas anteriormente foram
geradas através desse software. As fotomicrografias foram obtidas através de um microscópio
óptico Reichert Polyvar 2 Met. A centrifugação da resina foi feita no equipamento da marca
Fanem Centrifugador Modelo 204 NR. O teste de vibração da resina foi feito no vibrador
Bueher Vibromet Polisher VPG-966 para desprendimento das bolhas. Amostras de resina
curadas a 150 ºC foram serradas transversalmente e lixadas para observação da densidade e
diâmetro das bolhas internas. A verificação da perda de massa por temperatura foi obtida
através da Análise Termogravimétrica (TGA).
Elaboração das rampas para cura e carbonização através do TGA
Na Figura 1 mostra a curva TGA da resina furfurílica estudada. A curva 1 é a análise
Termogravimétrica (TG) e a 2 sua derivada. A partir destas curvas pode-se observar que o
material começa a perder massa em torno de 180 a 200ºC e que sua fase crítica de perda de
massa é em torno de 220ºC. Essa perda acontece até aproximadamente 630ºC. Estes
parâmetros possibilitaram na hora de elaborar a rampa mais adequada para o material em
questão.
23
Figura 1: Gráfico TGA e sua derivada DTG.
Figura 2: Rampa levando em consideração os dados obtidos por TGA.
Com a informação da TGA, podemos empregar taxas mais elevadas de aquecimento nos
intervalos em que ocorre pouca liberação de voláteis, reduzindo desta forma o tempo de
obtenção do carbono vítreo.
Caracterização das amostras curadas e carbonizadas
Análise das bolhas através de vibração
Observou-se a ocorrência da redução da densidade de bolhas dentro da resina utilizando um
equipamento de vibração. Foi utilizado molde de isopor para depositar a resina furfurílica
ácida (viscosidade de 3500 MPa.s), separando em 3 grupos, para diferentes análises. A
diferença no processo foi estudada através de um par de amostras, um deles foi colocado no
ultra-som por cerca de 1 hora para, já o outro método foi colocar a amostra num equipamento
vibrador Bueher Vibromet Polisher VPG-966, que ficaria com as amostras por também 1
hora, e 3º e último método utilizado foi deixar a resina polimerizar naturalmente. Nas Fig. 03,
04 e 05 pode se notar que para essa viscosidade, a vibração aparentemente não diminuiu as
bolhas no centro do material.
24
Figura 3: Micrografia
(mag. 20x) de amostra sem
aplicação de vibração.
Figura 4: Micrografia
(mag. 20x) de amostra com
ultra-som por 1h.
Figura 5: Micrografia (mag.
20x) de amostra com
vibração por 1h.
Influência da viscosidade da resina nas amostras
Uma alternativa para redução das bolhas nas amostras foi um experimento utilizando apenas
resina furfurílica com valor de viscosidade diferente do até então usado - viscosidade de 3500
MPa.s. Nesse experimento utilizou-se resina furfurílica com viscosidade baixa de 1060
MPa.s, em seguida foram feitas fotomicrografias de seções transversais das amostras curadas
para comparação. Visualizando no microscópio Fig. 04 e Fig. 05 a presença de bolhas,
notamos que a resina neutra é preferível para produzir material com bolhas menores.
Figura 6: Magnificação 25X de corte
transversal de resina de baixa viscosidade, já
curada. As partes escuras são bolhas.
transversal de resina de alta viscosidade, já
curada.
Efeito de centrifugação na resina das amostras
Baseados nas referências 1 e 2, foi utilizada uma centrífuga para homogeneizar e compactar a
resina, eliminando assim as bolhas que aparecem no processo de produção da resina
furfurílica. Para tanto foi utilizado resina furfurílica neutra colocando-a em um recipiente em
seguida numa balança e adicionado 1,5% de catalisador, após isso foi feito uma
homogeneização rápida por 5 minutos em um misturador que consiste em uma pá que gira em
torno de seu próprio eixo. Após todo esse processo foi colocado esse material para
centrifugação com rotação de 3000 rpm. Para efeito de um estudo sistemático foram
preparados 3 grupos de amostras: 1º grupo sem centrifugação; 2º grupo centrifugação por 15
min., e 3º grupo centrifugação por 15 min. e mais 5 min. em seguida. As Fig. 08, 09, 10 e 11
indicam que a centrifugação compactou a resina, gerando regiões praticamente sem bolhas
(Fig.11). Porém, como se nota na (Fig.10), aparentemente as pequenas bolhas do material não
centrifugado são colapsadas pela centrifugação, gerando algumas bolhas com dimensão maior
que a do material não centrifugado.
25
transversal de resina curada, não
centrifugada. Região A.
transversal de Resina curada, não
centrifugada. Região B.
transversal de Resina curada, centrifugada
por 15 min. Bolhas grandes e em pequena
quantidade. Região C.
transversal de Resina curada, centrifugada
por 15 min. Sem bolhas visíveis nesta escala.
Região D.
Novas peças foram feitas para um estudo melhor da centrifugação, preparadas da mesma
maneira, só variando o tempo de centrifugação que foi de 0’, 7’, 15’, 22’, 35’, a rotação foi
em torno de 3000 a 3200 rpm.
Conclusões
A curva TGA da resina furfurílica permitiu reprogramar a rampa de aquecimento para a cura
carbonização do material. Vibração das resinas de alta viscosidade não reduziu a quantidade
de bolhas do material. Quanto maior a viscosidade da resina, maior a tamanho das bolhas
presentes no material. A centrifugação gerou redução significativa da quantidade de bolhas
nas amostras, as quais ficaram com uma superfície muito plana e uniforme diferentemente da
que não foi à centrífuga, portanto em todos os processos serão utilizados a centrifugação.
Agradecimentos
À Finep e ao CNPq pelo suporte neste projeto.
[1] VASCONCELLOS NETO, L. C. Desenvolvimento de espelhos de baixa densidade, São
Paulo, UNIVAP, (Mestrado) (1996).
[2] REZENDE, M.C., Relatório de estágio: Pore structure and mechanical property
relationships in glassy carbon obtained from furfuryl and phenolic resins. Universidade de
Bath/UK, School of Materials Science, 1989.
26
RECOBRIMENTO DE AÇO AISI 4340 COM CARBETO DE BORO VIA
LASER DE CO2
A. N. Dias1*; D. C. Chagas1; G. Vasconcelos2
Universidade do Vale do Paraíba - UNIVAP, S.J. dos Campos, SP, Brasil
2
Instituto de Estudos Avançados - IEAv, EFO-L, S.J. dos Campos, SP, Brasil
*[email protected]
1
Palavras-chave: Carbeto de boro, tratamento superficial via laser, aço AISI 4340.
Introdução
Sólidos ligados covalentemente baseados em boro, carbono ou nitrogênio, dão origem aos
materiais mais duros que existem sendo o B4C (carbeto de boro) o terceiro mais duro, após o
diamante e o nitreto de boro cúbico. Além de sua dureza, o B4C tem um alto ponto de fusão
(2350 °C) e alta resistência à ação de reagentes químicos. Dentre as inúmeras técnicas de
deposições, por exemplo, feixe eletrônico, pulverização catódica, dentre outras, a deposição a
laser tem sido usada com sucesso para deposição de vários materiais com elevada taxa de
deposição. Neste método, uma fina camada de carbeto de boro previamente depositada sobre
a superfície do metal é irradiada por um feixe de laser [1]. Como o tratamento térmico
superficial com feixe de laser é feito em finas camadas, devido à troca térmica com o núcleo
da parte, o resfriamento ocorre rapidamente, atingindo taxas da ordem de 106 K/s [1]. O
endurecimento a laser tem duas vantagens: primeiro não há muita deformação do material
porque as trocas térmicas ocorrem em camadas finas; segundo, a superfície do material não é
danificada ou fundida após o tratamento não requerendo, assim, pós-processamento [2].
Figura 1: Representação esquemática do processo de têmpera por laser.
A temperatura de austenitização a que o material é submetido e a profundidade tratada é
determinada pela densidade de potência e pelo tempo de interação (função da velocidade de
varredura), exemplificado pela Fig.1. Como nos processos de têmpera convencional, o
objetivo da têmpera a laser é formar estrutura martensítica na superfície das partes. O método
a laser difere dos outros no rápido ciclo de aquecimento e de resfriamento, podendo assim,
tratar finas camadas [3]. O aço 4340 tem como principal característica a mais alta
temperabilidade dentre os de construção mecânica. Apresenta boa usinabilidade, forjabilidade
e soldabilidade ruim. Dependendo do teor de carbono, a dureza na condição temperada varia
de 54 a 59 HRc. É utilizado na fabricação de virabrequins para aviões, tratores, veículos em
geral e utilizado também na fabricação de engrenagens, componentes com boas propriedades
mecânicas e eixos muito solicitados [4].
27
Metodologia
O material usado neste estudo foi o aço 4340. Inicialmente, preparou-se amostras de
aproximadamente 20 mm de diâmetro. As amostras foram inicialmente caracterizadas através
do ensaio de dureza realizado com uma carga aplicada de 50 gramas-força usando um
Microdurômetro Vickers Future-Tech, Modelo FM-700. As amostras foram previamente
lixadas e polidas e posteriormente limpas por 15 minutos em ultra-som mergulhadas acetona.
Depois de limpas, as amostras foram aspergidas por uma solução de negro de fumo com uma
pistola pneumática. A solução de negro de fumo foi feita a partir de 10g de negro de fumo e
0,1g de carboximetil celulose sódica (CMC) em 100 ml de etanol absoluto e misturada por 20
minutos em um agitador mecânico. Posteriormente, aplicou-se por meio de uma pistola
pneumática, uma camada homogênea da solução, cobrindo toda a superfície da amostra. Para
fixar o negro de fumo sobre a superfície do aço, irradiou-se a superfície recoberta com um
laser de CO2 Marca Synrad, Modelo J48-5W de 50 watts de potência, com diâmetro do feixe
de 300µm e um fluxo de nitrogênio para evitar a oxidação. Após a deposição e irradiação do
negro de fumo depositado sobre o aço, uma nova solução feita a partir de carbeto de boro foi
aplicada sobre o negro de fumo e em seguida, irradiada. A solução de carbeto de boro foi
preparada em moagem mecânica por 32 horas com 25 g de carbeto de boro em pó e 0,24 g de
carboximetil celulose (CMC) em 200 ml de etanol absoluto. Após moagem, a mistura foi seca
e classificada por peneiramento (abertura de 37 mm). Similarmente ao processo de
revestimento de negro de fumo, o filme de B4C foi irradiado com um laser de CO2 Synrad
para promover a fixação do carbeto de boro. O esquema do processo de deposição é
apresentado na Fig. 2.
Figura 2: a) A amostra de aço 4340 é recoberta pelo revestimento de carbeto de boro. b) O
feixe de laser irradia a superfície do aço fixando a camada de carbeto de boro.
Os principais parâmetros do processo são: velocidade de varredura, resolução, números de
ciclos de aquecimento (NCA), intensidade do feixe de laser, potência do feixe e sobreposição
do feixe, obtido pela resolução. O parâmetro utilizado para o revestimento de negro de fumo
foi selecionado a partir de estudos anteriores [1]. Este parâmetro de seleção considera, a partir
de observações na microestrutura da secção transversal da amostra, a melhor condição de
tratamento térmico, recobrimento e menor ablação da superfícial. A Tab. 1 apresenta os
parâmetros de laser utilizados no processo de irradiação das amostras. Após irradiação as
amostras foram seccionadas transversalmente à direção da irradiação com o feixe de laser e
preparadas para a observação da microestrutura da superfície e do substrato.
Tabela 1: Parâmetros do tratamento com laser para a irradiação do negro de fumo e carbeto
de boro no aço AISI 4340.
P (W)
Parâmetros
V (mm/s)
Resolução NCA
I (kW/cm2)
Negro
60
300
5
55
50
B4C
20
400
8
15
50
28
Utilizou-se Nital 3% para revelar a microscopia presente. A observação microestrutural foi
realizada através do microscópio óptico Leica AG, Modelo 302001. A dureza da camada
tratada foi avaliada em um microdurômetro pelo método Vickers.
Através da análise das micrografias, observou-se que os parâmetros do laser influenciam na
qualidade da deposição do carbeto de boro na superfície do aço, podendo causar ablação da
superfície ou crateras, ou ainda formando um revestimento de espessura regular. O
revestimento de negro de fumo atua como âncora do carbeto de boro, e os principais
parâmetros do processo são: velocidade de 20 mm/s, resolução de 400, número de ciclos de
aquecimento 8 e intensidade de 15 kW/cm2, proporcionaram a condição de tratamento térmico
e recobrimento apresentada na Fig. 3.
Figura 3: Micrografia da secção transversal da amostra final.
A amostra inicial de aço AISI 4340 que apresentou uma microdureza inicial de 250 Hv, após
tratamento com lasers, atingiu cerca de 700Hv em uma extensão de 12 μm, conforme
apresenta a Fig. 4. As durezas atingidas nesta camada durante o processo, justificam pela
ocorrência da têmpera superficial da matriz, onde a espessura da camada tratada, pode ser
controlada pelos parâmetros do laser e pelo tempo de tratamento. A Fig. 4 apresenta o perfil
de dureza da secção transversal. Na Fig. 5, que apresenta os resultados do coeficiente de atrito
em função do deslocamento da esfera sobre a superfície tratada, nota-se que o processo
iniciou com coeficiente em torno de 0,35, possivelmente devido a elevada rugosidade da
superfície da amostra que provavelmente foi reduzida e permaneceu constante a partir dos
20m.
Microdureza
Microdureza (HV)
1000
800
600
400
200
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Distância ( m)
Figura 4: Resultados do perfil de microdureza da amostra final.
29
Os parâmetros do teste foram: velocidade linear igual a 10cm/s, raio da pista de 5mm, esfera
de aço 52100 com 6mm de diâmetro, número de voltas igual a 2000 e carga igual a 5N. O
coeficiente de atrito da amostra inicial sem revestimento era de 0,65 e com o revestimento de
carbeto de boro reduziu para 0,2.
0,45
C o e fic ie n te d e a trito
0,40
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0
10
20
30
40
50
60
70
Distância (m)
Figura 5: Resultado de coeficiente de atrito do aço 4340 revestido com B4C.
Conclusão
Intensidades baixas do feixe de laser promovem superfícies mais homogêneas e com
microestrutura mais refinada. O método de tratamento superficial via laser é eficaz e o carbeto
de boro é um material fácil de fixar ao aço AISI 4340, desde que se utilize recobrimento
prévio com negro de fumo. Este novo revestimento aumenta a dureza do aço e reduz o
coeficiente de atrito.
[1] J. L. dos Reis, TRATAMENTO TÉRMICO SUPERFICIAL DO AÇO AISI M2 VIA
LASER DE CO2, Dissertação de Mestrado, ITA, 2009.
[2] Lee. J.; Jang. J.; Joo. B.; Son. Y.; Moon. Y. ENDURECIMENTO A LASER DA
SUPERFÍCIE DO AÇO AISI H13. Elsevier, 2008.
[3] Metalurgia e Metais. EFEITO DA RÁPIDA AUSTENITIZAÇÃO SOBRE AS
PROPRIEDADES
MECÂNICAS
DE
UM
AÇO
SAE1045.
Disponível
em:http://www.scielo.br/pdf/rem/v58n1/a09v58n1.pdf, acessado em: 8 abr. 2009.
[4] Comercial Gerdau. AÇOS PARA BENEFICIAMENTO. Disponível em:
http://www.comercialgerdau.com.br/produtos/acos_especiais_beneficiamento.asp. Acessado
em: 20 jan. 2010.
30
DESENVOLVIMENTO DE SUBSTRATOS DE CARBETO DE SILÍCIO1
M. C. Vicentini1; T. A. Trevisan1; M. M. Nogueira1; H. Inoue1;
A. J. Abdalla2*; A. J. Damião2; J. G. A. Santana1
1
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP, Guaratinguetá – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP
*[email protected]
Palavras-chave: Espelhos ultraleves, carbeto de silício (SiC), sinterização e filmes finos.
Introdução
Todo tipo de equipamento desenvolvido para ser operado no espaço com a finalidade
comercial ou de pesquisa possui um alto grau tecnológico e o desenvolvimento dessa
tecnologia é de fundamental interesse nacional. Dentro desse aspecto estão os espelhos
ultraleves assim como as estruturas utilizadas em sistemas aeroespaciais. Este estudo tem
como finalidade estudar e produzir substratos de SiC pelo processo de compactação e
sinterização para a aplicação aeroespacial em sistemas refletores de precisão.
Metodologia
Os corpos de prova (CDPs) foram confeccionados em pó cerâmico a partir da mistura de
diferentes composições de SiC e aditivos orgânicos, como o YAG (Al2O3 + Y2O3), passando
por mistura em moinho de bolas, secagem, peneiramento seguido de prensagens uniaxial e
isostática, processo no qual as partículas são comprimidas até um volume reduzido limitado
por um molde obtendo os efeitos de empacotamento e agregação das partículas. Em seguida
os substratos foram sinterizados a temperaturas da ordem de 2000°C. Posteriormente as
amostras foram esmerilhadas, usinadas e polidas de forma a obter uma superfície de baixa
rugosidade. Foram feitos testes de tratamento superficial a laser com e sem a adição de uma
barbotina de SiC para tentar aperfeiçoar a qualidade das peças porosas.
Obtiveram-se dois tipos de substratos: a) de alta porosidade (~ 20%), os quais estão sendo
submetidos a diversos experimentos a laser para aperfeiçoamento da qualidade superficial das
amostras (Fig.1) e, b) de baixa porosidade (~ 4%), os quais ainda não foram usinados e
polidos para efeitos de comparação. A Fig. 1 mostra uma amostra logo após a compactação
dos pós (a), durante o polimento, após a sinterização (b) e com marcas de laser com a
finalidade de compactação da superfície porosa (c).
Figura 1: Substrato (a) a verde, b) sinterizado e polido, e, c) após testes com LASER na
superfície.
1
Projeto: Espelhos e estruturas mais leves para aplicações aeroespaciais.
31
A aplicação de laser direto na superfície, com diversos parâmetros de velocidade, resolução e
potência, não promoveu melhorias na superfície, com aparente evaporação de carbono. Uma
segunda tentativa, com a aplicação de uma fina camada de barbotina de SiC apresenta melhor
resultado, formando uma camada bem aderida e compacta, estas amostras serão melhor
analisadas num microscópio confocal a LASER no IEAv.
A rugosidade foi medida no laboratório LMSO do IEAv/DCTA (Fig.2). A Tab. 1 mostra que
a rugosidade de algumas amostras apenas com a face esmerilhada e após o polimento. Há um
limite em torno de 1μm devido à porosidade constituinte das amostras.
Tabela 1: Redução da Rugosidade por Usinagem e
Polimento (Amostra Porosa).
Peça
2
4
6
8
10
12
Rugosidade Absoluta (Ra) - [μm]
Face
Face Usinada e
Esmerilhada
Polida
4,8622
4,1123
4,5039
2,7041
5,5644
5,5650
1,2721
1,4622
1,0831
1,2181
2,0262
1,1013
Figura 2: Ilustração de uma das medidas de
rugosidade.
Conclusão
O trabalho até o momento vem cumprindo o proposto dentro da proposta do projeto relativo à
fabricação de substratos ultraleves de SiC para aplicações aeroespaciais. Até o presente
momento já foram realizados dois lotes de amostras com diferentes porosidades, que deverão
apresentar diferentes características finais de planicidade e de rugosidade da superfície após o
polimento. A aplicação de laser, associado a uma fina camada de barbotina de SiC,
demonstrou-se um bom caminho para a melhor compactação das superfícies porosas. Esta
poderá ser uma boa solução para associar amostras leves com uma fina camada superficial
densa, ideal para um excelente acabamento.
Agradecimentos
O presente trabalho foi realizado com apoio do CNPq (bolsas ITI), e da FINEP, Projeto
01.08.0487.00 - FINEP/EML.
[1] MARINS, E. M., Otimização e Caracterização Microestrutural de Cerâmicas de
Carbeto de Silício obtidas com Material Nacional para uso em Blindagem Balística,
Guaratinguetá 2008. 102p. Tese (Doutorado) – Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá,
Universidade Estadual Paulista.
[2] CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais - Uma Introdução. Rio de
Janeiro: LTC, 2002. cap.8, p. 157-161.
[3] BONDIOLI, M. J.; SANTOS, C.; STRECKER, K., Estudo da oxidação de cerâmicas à
base de carbeto de silício sinterizado via fase líquida utilizando nitreto de alumínio e
óxido de ítrio como aditivos. Cerâmica, v.54, n.330, p.198-202, 2008.
32
SISTEMA DE AVALIAÇÃO DE PERMISSIVIDADE ELÉTRICA DE
LÍQUIDOS COMBUSTÍVEIS
M. M. Silva1; A. K. Horie1; A. C. C. Migliano2*
Universidade Braz Cubas – Mogi das Cruzes – SP
3
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
*
[email protected]
1
Palavras-chave: Permissividade complexa, permissividade, caracterização eletromagnética
de líquidos.
Introdução
Atualmente, a adulteração de combustíveis tornou-se uma prática comum, principalmente
com a adição de etanol na gasolina [1]. Com o aumento do número de automóveis
bicombustível e com o aumento de distribuidores de combustíveis, a fiscalização e o controle
dos postos pelos órgãos governamentais tornou-se menos freqüente. Tendo estas informações
como ponto de partida, resolveu-se estudar os efeitos das diferentes misturas entre álcool e
gasolina nas propriedades dielétricas da mistura, como um método alternativo para a detecção
de adulteração de combustíveis e também para um estudo mais detalhado do comportamento
da permissividade elétrica nos líquidos.
Metodologia
No sistema desenvolvido foi necessária a utilização de um analisador de impedância
(Hewlett-Packard HP4194A) para realizar as medidas de resistência e reatância das amostras,
e do ambiente de programação VEE Pro 8.0 para o desenvolvimento da rotina de cálculo da
permissividade elétrica, aquisição de dados e apresentação dos resultados além de um portaamostras especialmente desenvolvido para este trabalho.
O sistema permite comparar uma medida de uma amostra padrão com outra qualquer. A Fig.
1 apresenta a interface do programa que mostra graficamente a diferença entre duas amostras
onde é mostrada a permissividade elétrica em função da freqüência. O programa permite
também importar e exportar dados em arquivos no formato do Excel.
Figura 1: Interface do sistema.
33
Durante a realização dos testes, foi observado que em uma mesma amostra o valor da
permissividade varia entre uma medida e outra (principalmente nas freqüências mais baixas) e
por esta razão foi adotada uma metodologia de amostragem que consiste na repetição da
medição até que os valores de permissividade se estabilizem, o que para as amostras com
permissividade mais baixa (entre seis e dez) ocorre em media entre a oitava e a décima
medida. Na Fig. 2 é apresentado o gráfico com os valores de permissividade de quatro
amostras de misturas entre álcool e gasolina onde é mostrada a variação de permissividade
conforme aumenta a proporção de álcool na gasolina.
Figura 2: valores da permissividade relativa complexa das misturas com as respectivas
adições de álcool ao volume total.
Conclusão
Foram realizados vários testes e notou-se que a permissividade aumentava conforme a
proporção de álcool na mistura e a proporção mínima que pode ser detectada pelo sistema
ficou em torno de 1% quando usada a metodologia de amostragem desenvolvida para este
trabalho. Em relação à variação dos valores de permissividade de uma mesma amostra, uma
das possíveis causas é o tempo de polarização das moléculas.
Agradecimentos
Aos pesquisadores do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE/IEAv) que muito
colaboraram na execução deste trabalho.
Referência Bibliográfica
[1] Mendonça, L. G. D., Micro-Sensor capacitivo para avaliação da qualidade dos
combustíveis automotivos. Dissertação de mestrado São Paulo, Brasil, 2008.
34
ANÁLISE DOS PARAMETROS DE ESPALHAMENTO DO PORTA
AMOSTRA MICROSTRIP PARA MEDIDAS DE PERMEABILIDADE E
PERMISSIVIDADE COMPLEXAS DE FILMES FINOS1
1
M. R. F. Gontijo1*; A. C. C. Migliano2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - Depnto de Engenharia Mecânica e Aeronáutica, São
José dos Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: Sensores eletromagnéticos, impedância, ferramentas
eletromagnéticas, medidas de permissividade e permeabilidades complexas.
CAE/CAD
Introdução
Com o avanço da nanotecnologia, pesquisadores do grupo Sistemas Eletromagnéticos do
IEAv aprimoram suas técnicas de caracterização, buscando estudar as propriedades
eletromagnéticas dos materiais cerâmicos em escala nanométrica. Existem três passos básicos
para a caracterização eletromagnética de filmes finos: 1) Fabricação do porta amostra. 2)
desenvolvimento de um algorítmo para tratamento de dados e 3) Síntese do filme fino. Na
fabricação do porta amostra foi escolhido a linha de transmissão tipo microstrip por apresentar
uma forte interação eletromagnética no centro do condutor central onde será depositado o
filme fino. Contudo, esse trabalho apresenta uma análise dos coeficientes de reflexão e
transmissão do porta amostra microstrip partindo dos parâmetros de espalhamento obtidos
atravéz da simulação computacional usando o software XFDTD versão 6.4.
Metodologia
O porta-amostra na Fig. 1 consiste de uma fita metálica condutora encapsulada por uma
carcaça metálica, ambas confeccionadas por condutor elétrico ideal. As dimensões externas
simuladas do porta-amostra são: 12,00mm x 7,60mm x 0.64mm e a fita central metálica tem
11,50mm x 3,40mm e foi excitado por uma fonte de RF na faixa de 300MHz a 10GHz e
permissividade elétrica relativa igual εr=5. Os resultados da simulação são dados em função
dos parâmetros de espalhamento, desta forma pode-se desenvolver um algoritmo para obter as
propriedades intrínsecas complexas do filme fino como: permissividade complexa e
permeabilidade complexa.
Fita
Encapsulamento
Dielétrico
Figura 1: Simulação utilizando XFDTD do encapsulamento com dielétrico.
1
Projeto: Infraestrutura de caracterização de materiais eletromagnéticos.
35
Na Figura 2 (A e B) são apresentados o comportamento do parâmetro de espalhamento em
função da frequência.
A
B
Figura 2: Parâmetro de espalhamento complexo em função da freqüência (A) parâmetro de
transmissão S21 e (B) parâmetro de reflexão S11.
A Figura 3 apresenta o coeficiente de reflexão e transmissão em função da freqüência.
A
B
Figura 3: Coeficiente de espalhamento complexo em função da freqüência (A) coeficiente de
reflexão S21 e (B) coeficiente de transmissão.
Conclusões
Com os resultados numéricos obtidos na simulação é possível obter analiticamente as
propriedades intrínsecas dos materiais. A forma de desenvolver este algoritmo para
tratamento de dados está em fase de desenvolvimento.
Agradecimentos
A Capes pelo apoio financeiro, ITA e LSE-IEAv pela utilização do laboratório
[1] YOSHIHIRO, K. Microwave Integrated Circuits. 1st .ed. New York: Marcel Dekker,
Inc, 1991.1-50.
36
SENSOR MAGNETOELÁSTICO À BASE DE CERÂMICA NiCo
1
A. K. Hirata2*; L. V. Lemos2; V. L. O. Brito1; A. C. C. Migliano1
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Engenharia Aeronáutica e Mecânica, SJC – SP
*[email protected]
Palavras-chave:
magnéticas.
Caracterização
eletromagnética,
sensor
magnetoelástico,
cerâmicas
Introdução
A necessidade de sensores para medir tensões mecânicas tem aumentado consideravelmente o
interesse no desenvolvimento de materiais para sensores magnetomecânicos. Sensores
magnetomecânicos são aqueles que se baseiam nas propriedades de magnetostricção ou no
efeito magnetoelástico do material transdutor [1]. O terfenol e outros compostos de ferro com
terras-raras são os materiais mais utilizados em tais sensores devido a sua alta
magnetostrictividade. As ferritas de Co, além de sua alta sensibilidade magnetostrictiva,
possuem alta resistividade elétrica, resistência à corrosão, alta temperatura de Curie e ainda
têm a vantagem de ser um material de baixo custo [2-3]. Essas características motivaram seu
estudo para aplicação em sensores magnetoelásticos, já que podem ser utilizadas em
transdutores de sensores para fins aeronáuticos e espaciais.
O objetivo desse trabalho é auxiliar no desenvolvimento de metodologias experimentais para
análise dos efeitos magnetoelásticos nas ferritas de cobalto em estudo no IEAv/ITA, quando
submetidas a tensões de compressão. As amostras foram confeccionadas por meio do método
cerâmico convencional, utilizando a infra-estrutura do Laboratório de Materiais
Eletromagnéticos. A caracterização da ferrita de cobalto foi realizada no Laboratório de
Sistemas Eletromagnéticos.
Metodologia
As amostras de ferritas foram fabricadas utilizando o método de cerâmica convencional,
usando os óxidos de ferro e de cobalto na seguinte proporção: 20,87g Fe2O3 – 41,52g Co3O4.
Três amostras foram sinterizadas nas temperaturas 1100°C, 1200°C e 1300°C. As medidas da
permeabilidade magnética complexa (μ*) das amostras foram feitas na faixa de 50MHz a
200MHz pelo método de transmissão/reflexão.
Por meio da análise de microscopia ótica (MO) foram observadas características gerais da
microestrutura, tais como diferentes tamanhos de partícula para cada temperatura de
sinterização e formação de domínios magnéticos. Ensaios de magnetostricção foram
realizados na Escola de Engenharia de Lorena (EEL-USP) e mostraram que as ferritas de
cobalto possuem uma sensibilidade magnetostrictiva de 240. A Fig. 1a mostra os resultados
de medidas da permeabilidade magnética, adquiridos por meio de um analisador de rede
vetorial. A simetria da amostra foi analisada, alternando os lados da amostra, indicados por A
e B, e os dados medidos na porta 1, porta 2 e médias das portas. A diferença devido a essa
análise pode ser vista na parte imaginária da permeabilidade do material. O material apresenta
baixas perdas devido à alta refletividade (Fig. 1b).
37
Figura 1: a) Resultados da permeabilidade magnética relativa calculada a partir dos
parâmetros de espalhamento. b) refletividade do material.
Conclusões
Os resultados da magnetostricção apresentaram valores que permitem seu uso em sensores
magnetoelásticos, já que é possível calcular a sensibilidade magnetoelástica da ferrita de
forma indireta. As medidas da permeabilidade magnética e refletividade mostraram o
comportamento do material nessa faixa de freqüência de aplicação.
Agradecimentos
Ao PIBIC/CNPq – IEAv.
[1] BRITO, V. L. O.; LEMOS, L. V.; MIGLIANO, A. C. C.; NUNES, C. B., Cerâmicas
magnéticas para aplicações em sensores magnetomecânicos: perspectivas de P&D no IEAv.
In: IX Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv, São José dos Campos, v. 2.
p. 75-75, 2009.
[2] MCCALLUM, R. W.; DENNIS, K. W.; JILES, D. C.; SNYDER, J. E.; CHEN, Y. H.,
Composite magnetostrictive materials for advanced automotive magnetomechanical sensors.
Low temperature physics, v.27, n.4, p. 266-274, april. 2001.
[3] BIENKOWSKI, A.; SZEWCZYK, R., The possibility of utilizing the high permeability
magnetic materials for construction of magnetoelastic stress and force sensors. Sensors and
Actuators A, v. 113, p. 270-276, 2004.
38
SISTEMA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE AUXÍLIO A ENSAIOS
DE EMISSÃO CONDUZIDA
1
R. S. Ferreira1*; A. C. C. Migliano1
*
[email protected]
Palavras-chave: Compatibilidade eletromagnética, ensaios de emissões conduzidas,
automação e controle de ensaio de EMC/EMI.
Introdução
Muitas fontes de emissões eletromagnéticas geram ruídos, tais como descargas elétricas na
natureza, relés, motores, lâmpadas fluorescentes, etc. Em termos de avaliação da
Compatibilidade Eletromagnética (EMC) dos equipamentos embarcados, existem dois tipos
de emissões eletromagnéticas que devem ser consideradas: irradiadas e conduzidas. A
emissão irradiada (EI) é uma onda eletromagnética que se propaga no ar e pode causar
interferência, ou ruídos, nos equipamentos. A emissão conduzida (EC) é uma onda
eletromagnética que se propaga na rede de alimentação elétrica dos equipamentos, por meio
dos cabos de alimentação e estruturas metálicas.
Este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de uma rotina computacional que auxilie
os usuários na aplicação de ensaios de emissões conduzidas em equipamentos embarcados,
seguindo as normas internacionais FCC PART 15 (Federal Communications Commission EUA), CISPR (Agência da União Européia - Comité International Spécial des Perturbations
Radioélectriques) e MIL STD Military Standard – EUA [1-2].
Metodologia
O aparato experimental empregado nos ensaios de emissões eletromagnéticas conduzidas
mostrado na Fig. 1 é constituído de um detector de RF e de uma rede estabilizada de
impedâncias. O Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) disponibiliza para esses
ensaios um analisador de espectro, modelo E7405A, da Agilent Co, um LISN (Line
Impedance Stabilization Networks) modelo 3810/2, da EMCO, cabos blindados, bancada
aterrada, e um microcomputador compatível PC, com sistema operacional Windows XP Pro.
Todos os equipamentos são calibrados, com rastreabilidade do National Institute of Standards
and Technology, NIST/USA. Basicamente, esta infra-estrutura permite a realização de ensaios
na faixa de 100 Hz até 30 MHz.
Figura 1: Aparato experimental utilizado em ensaios de emissão conduzida.
39
A Figgura 2 apresenta o fluxograma da rotina computacional desenvolvida para auxiliar nos
ensaios de EMC/EC. A rotina foi desenvolvida no ambiente VEE PRO, versão 8.5, e será
disponibilizada para as empresas certificadoras nacionais. Numa primeira etapa o usuário
define as normas aplicáveis ao ensaio e registra os dados do usuário e equipamento a ser
testado. Após o usuário definir os limites de frequência de varredura, o ensaio é inicializado.
No termino do processo é disponibilizado um relatório com os dados dos equipamentos
utilizados, bem como o espectro de emissões medido, ponto-a-ponto em frequência.
Figura 2: Fluxograma de eventos da rotina computacional aos ensaios de EMC/EC.
Foi desenvolvida uma rotina computacional para auxiliar na aplicação de ensaios de EMC/EC
em equipamentos embarcados. Esta rotina está disponível no LSE e será disponibilizada para
as empresas certificadoras nacionais. A rotina desenvolvida é totalmente compatível com as
ferramentas importadas comerciais e representarão uma economia para esses tipos de ensaios,
obrigatórios para a certificação comercial de produtos.
Agradecimentos
A "Consolidação da Infra-Estrutura de Ensino, Pesquisa e Desenvolvimento no Centro
Técnico Aeroespacial", apoiado ao Edital CT-INFRA 01/2001, prazo: 2002-2005.
Proc:23.01.0731.00.
[1] PAUL, R. C. Introduction to electromagnetic compatibly, 2nd Ed. Hoboken: New Jersey,
2006.
[2] Undesrtanding the FCC regulations for low-power, non-licensed transmitters, Office of
Engineering and Technology (OET) FEE Filing Guide,Columbia, USA, FEB. 1996.
40
UTILIZAÇÃO DE CARACTERÍSTICAS DE MARCOS PARA O
RASTREAMENTO EM IMAGENS DE NAVEGAÇÃO AÉREA
AUTÔNOMA
R. M. Andrade1,2*; E. H. Shiguemori 2
Universidade Paulista – Inst. de Ciências Exatas e Tecnologia, São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Processamento de imagem; visão computacional; navegação por imagens.
Introdução
Durante os últimos anos pôde-se observar um contínuo aumento do emprego de Veículos
Aéreos Não-Tripulados (VANT), com expectativas crescentes de aplicações civis e militares,
tais como, operações de vigilância, reconhecimento, monitoramento ambiental e agrícola,
aerolevantamento, transporte de carga, etc [1]. Um dos atuais desafios é dotar um VANT com
a capacidade de navegação autônoma tendo a menor dependência possível de sistemas de
navegação por satélite (Global Navigation Satellite System) [2-3]. Uma alternativa é a
utilização de um sistema de navegação com estimação automática da posição do VANT
baseada em imagens da superfície sobrevoada. O projeto PITER¹, em desenvolvimento no
IEAv, tem por objetivo demonstrar o conceito de navegação autônoma por imagens para
VANT’s [4]. Neste trabalho é aplicada uma abordagem para o rastreamento de marcos
presentes na região do local sobrevoado utilizando suas características, informações dos
níveis de cinza e área, para a identificação nas imagens destas referências. Nos experimentos
consideram-se imagens do voo realizado sobre São José dos Campos.
Metodologia
O reconhecimento dos marcos é feito por informações coletadas de uma imagem de origem e
buscando-os na imagem seguinte, por meio de técnicas de processamento de imagem e visão
computacional. Através de informações de um pixel previamente conhecido, são obtidos seus
dados, posição (x,y) e intensidade em escala de cinza. Com esses dados é aplicada a técnica
de “crescimento de região” [5], fazendo com que os pixels de mesma intensidades sejam
considerados como um marco. Esses dados são armazenados e localizados na imagem
seguinte, comparando os pixels de mesma intensidade e área para identificação do marco
considerado. A Fig. 1 (a) apresenta a semente do algoritmo de crescimento de região e seus
vizinhos, enquanto a Fig. 1 (b) apresenta exemplos da aplicação de crescimento de região.
(a)
(b)
Figura 1: (a) Representação da semente e seus vizinhos no crescimento de região.
(b) Exemplo de Crescimento de Região.
41
Para um conjunto de oito imagens, considerando marcos de diferentes tamanhos e ângulos de
visada, a abordagem apresentou aproximadamente 40% de acerto. Verificou-se que a maior
causa dos erros está relacionada com a seleção inadequada do marco a ser acompanhado.
Quando os marcos são bem representativos, como os apresentados na Fig. 2 (a-d), a
porcentagem de acerto é de aproximadamente 100%.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 2: Resultados obtidos. (a) e (c) Imagens na qual o ponto é capturado.
(b) e (d) Imagens com as características encontradas.
Conclusões
Neste trabalho, foi apresentado um estudo para o acompanhamento de marcos em seqüências
de imagens aéreas para aplicação na navegação autônoma de VANTs. Foram estudadas
abordagens para rastrear automaticamente marcos presentes na região sobrevoada, com o
objetivo de auxiliar um sistema de navegação autônoma. Foram utilizadas informações de
níveis de cinza e área para a identificação das referências. Nos experimentos foram
consideradas imagens do voo realizado sobre São José dos Campos. Futuramente estas
abordagens poderão ser aplicadas em um sistema baseado em visão computacional para
processar em tempo real as imagens do local sobrevoado e realimentar sistemas de controle e
navegação, e desta forma, auxiliar o cumprimento seguro e eficiente de uma missão préplanejada para o VANT.
Agradecimentos
Ao COMAER, projeto PITER, No. V01050303.
[1] EVERAERTS, J., The use of Unmanned Aerial Vehicles (Uavs) for Remote Sensing and
Mapping. in proceedings of The International Archives of the Photogrammetry, Remote
Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XXXVII. Part B1. Beijing 2008, p. 11871192.
[2] MARTINS, M. P., SHIGUEMORI, E. H., MONTEIRO, M. V. T., MEDEIROS, F. L.L.,
DOMICIANO, M. A. P., Reconhecimento Automático de Pontos de Controle para Navegação
Aérea Autônoma baseada em Visão, II SERFA – ENCONTRO DE USUÁRIOS DE
SENSORIAMENTO REMOTO DAS FORÇAS ARMADAS. São José dos Campos, Outubro
de 2006.
[3] LUDINGTON, B.; JOHNSON, E. E.; VACHTSEVANOS, G., Augmenting uav
autonomy: Vision-based navigation and target tracking for unmanned aerial vehicles. IEEE
Robotics & Automation Magazine, p. 63–71, 2006.
[4] SHIGUEMORI, E. H.; MONTEIRO, M. V. T.; MARTINS, M. P., Landmarks recognition
for autonomous aerial navigation by neural networks and Gabor transform. In: IS&T/SPIE
19th Annual Symposium Eletronic Imaging Science and Technology, 2007, San Jose, CA,
USA. Image Processing: Algorithms and Systems V, 2007. v. 6497.
[5] GOLZALES, R. C. e WOODS, R. E., Digital Image Processing, Third Edition, 2008.
Pearson Education, p. 763-768.
42
ESTUDO TEÓRICO DE UM SISTEMA PARA COMPRESSÃO E
EXPANSÃO DE ESCOAMENTOS REATIVOS COM APLICAÇÕES EM
HIPERSÔNICA
1
J. C. C. Siqueira1; C. J. Rocha 1*
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, SJC - SP
*[email protected]
Palavras-chave: Tubeira, bocal convergente-divergente, gerador de ar viciado.
Introdução
Voos em velocidades elevadas, tais como os realizados em regime sônico (v = vsom),
transônico (vsom< v < 1,5vsom), supersônico (1,5vsom< v < 5vsom) e hipersônico (v > 5vsom),
onde v é a velocidade de voo e vsom é a velocidade do som na temperatura do voo, possuem
grande interesse devido a redução do tempo de voo e possibilidade de acesso facilitado à
órbita terrestre, com destaque para os voos em regime hipersônico, que possui custo de
operação reduzido em relação aos voos convencionais. Em laboratório, os experimentos que
simulam as velocidades alcançadas em voos hipersônicos são efetuados a partir da aceleração
do escoamento do ar (ou de misturas gasosas, em geral) ao regime hipersônico, observando
seus efeitos sobre os modelos aerodinâmicos. Para isso, é utilizado um duto convergentedivergente (Fig. 1) com uma área contínua denominada de garganta, no qual a parte
convergente acelera um escoamento que está à baixa velocidade até a velocidade sônica na
garganta, onde pode ser acelerado a velocidades maiores do que a do som na parte divergente
até o regime hipersônico. O objetivo deste trabalho consiste em estimar as dimensões de uma
seção tubular de área variável (do tipo convergente-divergente) para acelerar um escoamento
proveniente de uma turbina, a partir do regime subsônico, a fim de simular teoricamente o
escoamento de uma mistura de gases caloricamente perfeita e para obtenção dos parâmetros
preliminares do escoamento, com destaque para a distribuição de temperatura e a composição
química.
Metodologia
Para a execução dos cálculos, foi utilizado uma plataforma de software Mathcad, que possui
várias funções matemáticas internas e realiza cálculos complexos. Para simplificações dos
cálculos de dimensionamento da seção tubular de área variável, foi feita uma aproximação
adotando o escoamento como sendo compressível, isentrópico, invíscido e quaseunidimensional a qual é expressa na equação 1. Os cálculos foram baseados com a pressão
inicial do ar na altitude de São José dos Campos (600 m) em relação ao nível do mar de 94322
Pa, com temperatura de 903K e considerando o fluido em condição de reservatório (em
repouso).
(A/A*)2 = 1/M2 {2/ (γ +1) [1 +((γ-1)/2)M2]} (γ+1)/ (γ-1) (1)
onde: A/A*=razão entre área da garganta e saída; M=número de Mach; γ=coeficiente de
expansão isentrópica.
Conhecendo-se as condições iniciais, pôde-se estimar os valores de temperatura na saída em
função do número de Mach desejado na saída do divergente, e através de relações
isentrópicas, calculou-se as pressões e densidades de saída. Também foi possível descobrir as
velocidades do escoamento na saída. Posteriormente com esses resultados, descobriu-se a
43
velocidade sônica local do escoamento e o número de Mach resultante na saída do bocal. O
diâmetro da entrada do convergente adotado é 22,00 cm para a garganta cosiderou-se a
metade do diâmetro do convergente. Através das relações de áreas (1), conseguiu-se
dimensionar os valores da área da parte divergente do bocal. A vazão em massa na saída da
tubeira, resultou em 3, 63 kg/s. Os resultados obtidos dos cálculos são mostrados na Tab. 1.
Tabela 1: Parâmetros do escoamento na tubeira.
Parâmetro
Valor
Temperatura de saída (Ts)
651,46 K
Densidade de saída (ρs)
Mach na saída (Ms)
Razão de áreas (A/A*)
Área de saída (As)
Densidade crítica (ρ*)
Temperatura crítica (T*)
Pressão crítica (p*)
0,50 kg/m3
1,39
1,11
105,49 cm2
0,69 kg/m3
752,50 K
2,55 x 105 Pa
O dimensionamento estimado para essa seção tubular de área variável é mostrado na Fig. 1,
onde ф 22 cm é a parte convergente; ф 11cm é a garganta e ф 11,57 cm representa a parte
divergente.
Figura 1: Desenho do bocal convergente-divergente.
Conclusões
Foi possível estimar um duto convergente-divergente para que esta possa ser acoplada à saída
de exaustão dos gases provenientes de uma turbina, a fim de simular teoricamente um
escoamento rápido de uma mistura de gases caloricamente perfeitos próxima a composição do
ar. Como o objetivo era produzir escoamentos aerodinâmicos em alta velocidade, foi
determinado como início M=1, ou seja, o escoamento de saída já se encontra em regime
sônico. Os escoamentos resultantes foram caracterizados como regime transônico e
supersônico, sendo o menor valor obtido M=1 e o maior valor M=1,39.
Agradecimentos
À Dra. V.S.F.O. Leite e ao Dr. M.A.P. Rosa; ao CNPq pela bolsa e à FAPESP.
[1] ANDERSON, J. D. J., Modern compressible flow: with historical perspective. 3 ed. New
York: McGraw Hill, 2003. p. 1-218.
[2] ANDERSON, J. D. J., Fundamentals of aerodynamics. 4 ed. New York: McGraw Hill,
2007. p. 1-643.
44
MODELAGEM DA IRRADIÂNCIA DE UMA ESFERA INTEGRADORA
1
M. L. Silva1,2; M. C. Melo1; R. M. Castro1,2*
Instituto de Estudos Avançados - São José dos Campos - SP, Brasil
2
Universidade de Taubaté - Taubaté - SP, Brasil
*{rmcastro}@ieav.cta.br
Palavras-chave: Esfera integradora, caracterização radiométrica.
Introdução
A Esfera Integradora (EI) é um dos arranjos mais importantes para a Caracterização
Radiométrica de sensores eletroópticos. Esse equipamento é utilizado no Laboratório de
Radiometria e Caracterização de Sensores Eletroópticos (LaRaC) do Instituto de Estudos
Avançados (IEAv) como um padrão radiométrico e consiste em uma esfera oca, provida de
lâmpadas incandescentes (posicionadas em seu interior) como fonte de radiação, com uma
abertura circular na parte superior e cuja parede interna é revestida com uma pintura branca
altamente refletiva. A radiação eletromagnética emitida pela lâmpada (mais precisamente pelo
filamento de tungstênio, que está contido no interior do bulbo) pode sofrer múltiplas reflexões
na superfície interna da esfera até emergir na abertura da mesma. Ainda assim, a irradiância
deve ser uniforme e estável em toda abertura da esfera. Entretanto, dependendo no número de
reflexões dentro da EI, a radiação produzida pela fonte lâmpada pode ser significativamente
atenuada. Em especial, este trabalho teve por objetivo aprimorar o modelo matemático para
estimar a irradiância na abertura da EI, desenvolvido nos trabalhos anteriores [1-2], levando
em consideração as características dos instrumentos de medição e estudar a dependência da
irradiância da EI em função da distância em relação ao centro da esfera.
Metodologia
O modelo da irradiância, E(), da EI [1-2], levou em consideração os seguintes fatores: a
emitância, M(), de um corpo negro; a emissividade,  (), do filamento de tungstênio; a
atenuação, A(, da radiação produzida pela fonte; e as características físicas da fonte, Cff(
Com isso, a estimativa da irradiância na abertura da EI é dada por:
E ( , T )  M ( , T )   ( , T )  A( )  C ff  
(1)
Além disso, foi feita uma análise mais detalhada da variação da radiância em função da
distância ao centro da abertura da EI, para que o modelo matemático desenvolvido também
fornecesse informações referentes à variação dessa grandeza no espaço, uma vez que é de
suma importância conhecer-se a uniformidade da irradiância produzida pela esfera. Assim,
visando a análise deste fator, dividiu-se o raio da abertura da EI em segmentos de 0,5 cm,
decompondo a abertura da EI em anéis concêntricos. Então foi realizada a simulação do
número de feixes luminosos que incidiam na área de cada anel, formando com a reta normal à
superfície da abertura da esfera, um ângulo menor que o ângulo de visada do sensor (de 1°).
Com isso, foi possível determinar a intensidade da radiância por unidade de área em cada
anel. Para estimar a intensidade da radiância medida por um espectrorradiômetro, foi
calculada a área de cada divisão da abertura da esfera compreendida no limitador de ângulo
sólido do sensor, para cada deslocamento de 0,5 cm da ponteira do sensor e multiplicada pela
intensidade por unidade de área correspondente.
45
Resultados
A partir dos parâmetros apresentados para a EI utilizada, a USS2000 da LabSphere [3], que
permite a utilização de até 4 lâmpadas halógenas de tungstênio e que possui uma superfície
interna revestida de Spectraflect, obteve-se utilizando a expressão (1), a irradiância da esfera
integradora, quando é utilizada uma lâmpada de 45 W. O resultado obtido é apresentado na
Fig. 1a, juntamente com o valor experimental obtido por meio do espectrorradiômetro
FieldSpec Pro [4]. O resultado obtido para a variação da radiância medida pelo sensor em
função de sua distância em relação ao centro da esfera pode ser visualizado na Fig. 1b,
juntamente com o resultado oriundo das medições em laboratório.
Figura 1: a) Gráfico da radiância de uma Esfera Integradora, USS 2000 da LabSphere, com
uma lâmpada incandescente de filamento de tungstênio de 45 W. A curva contínua apresenta
o resultado experimental e, a tracejada, o valor simulado; e b) Gráfico da intensidade relativa
da radiância da EI em função da distância ao centro de sua abertura. Na curva pontilhada, é
apresentado o resultado experimental e, na contínua, o valor simulado.
Conclusão
O modelo desenvolvido mostrou-se bastante satisfatório, fornecendo valores próximos aos
dados obtidos experimentalmente, com uma variação máxima em torno de 30% (ver Fig.1a).
Sendo assim, a diferença entre os valores absolutos das duas curvas pode ser considerada, na
maior parte dos pontos, devida à incerteza da modelagem das dimensões do filamento de
tungstênio da lâmpada. A variação da radiância em função da distância ao centro da abertura
da esfera obtida por meio da simulação é expressivamente superior à variação observada
experimentalmente. Possivelmente, essa diferença pode ser explicada pela simplicidade do
modelo utilizado, que nessa etapa da simulação, deixou de considerar algum fator
significativo. Deste modo, para verificar esta discrepância e para que essa modelagem seja
ainda mais acurada e, assim possa ser continuamente utilizada como referência para futuras
medições no processo de calibração de sensores eletroópticos, é interessante continuar o
trabalho já desenvolvido.
Agradecimentos
Os autores gostariam de agradecer ao CNPQ pelas bolsas de INIC do PIBIC-IEAv.
[1] Marcos A. Avelisio, Milena L. Silva, Ruy M. Castro, Calibração Radiométrica de
Sensores Eletroópticos II: Relatório final de atividades, IEAv, 2008.
[2] Marcos A. Avelisio, Ruy M. Castro, Calibração Radiométrica de Sensores Eletroópticos
I: Relatório final de atividades, IEAv, 2007.
[3] LabSphere, USS 2000 User Manual, 2005
[4] FieldSpec, FieldSpec Pro User Manual, Analytical Devices, 2005.
46
ANÁLISE DE ENERGIA DE PULSOS ÓPTICOS NÃO-LINEARES
1
L. C. Vasconcellos1; A. C. A. Faria Jr1; A. O. Toledo1*
*[email protected]
Palavras-chave: Óptica não-linear, equação de Schroendinger não-linear, sólitons.
Introdução
Como os pulsos ópticos têm uma grande gama de aplicações e tendo em vista que a parte nãolinear acaba entrando em conflito com o envio e recebimento de dados, torna-se interessante
dominar a técnica de controle desses pulsos. Essa técnica aborda desde o processamento dos
sinais ópticos não lineares até o controle ou confinamento dos picos desses pulsos na fibra.
No contexto de óptica não linear, solitons são classificados como sendo temporais ou
espaciais, dependendo do confinamento da luz que ocorre no tempo ou no espaço durante a
propagação da onda [2-3]. A proposta deste trabalho é analisar a densidade de energia de
ambas as soluções da equação de Schroedinger não linear (NLS), soluções espaciais e
temporais e essas mostram que, em alguns casos, a energia correspondente para as soluções
sejam proporcionais ao quadrado das soluções.
Metodologia
A metodologia foi teórica, utilizando técnicas de solução de equações diferenciais não
lineares. Então, para tais sistemas, pode-se tratar a energia em termos da não linearidade do
sistema oriundas da polarização da luz na fibra que é um dielétrico.
A partir das equações
de Maxwell, chega-se à equação de onda para um meio dielétrico [1].

2
 1  E
1 2P
1
2 E  2 2 
c t
 0c 2 t 2
Matematicamente pode-se chegar a partir de (1) em
u 1  2 u
2

 | u |2 u  0
i
2
z 2 x
Para a equação anterior, podemos escolher uma solução do tipo
3
u  x, z   e ikz   x 
onde podemos dispensar a parte imaginária e derivar o restante para chegar em
1 2
4
     2 |  | 2   k d  U  
2
e, finalmente, em
d
5

 x  x0
2U  
Antes, obtemos a equação NLS pela equação (1). Agora vamos obtê-la pela Lagrangeana

z
 
0
  

S   dz   L x, y, z dxdy
6
A densidade lagrangeana para a equação NLS é encontrada como
47
2
1
 * z   * z    x 2   y   4
7 
2
Podemos ter sistemas ópticos com a NLS obtida a partir do princípio de ação variacional


8
   dt  dxL   0



substituindo o termo não-linear |u|2u da equação (2) por F(|u|2)u, temos
u 1   2 u  2 u 
  F | u | 2 u  0
9
i
 

z 2  x 2 y 2 
onde F (|u|2) está relacionado com a parte não-linear do índice de refração. Considerando
(2+1)-dimensão da equação (10), é introduzido Ψ=√2u, resultando em
  2
2
11
i
 2  2   0
z x
Então, aplica-se o mesmo procedimento para escrever a solução da equação (11) como
12
u  z, x   a sec hax e  ikz
É interessante que na equação (11) para |x|→ u (z, x) → 0. Por exemplo, considere um
sistema óptico em que a equação NLS pode ser obtida pelo princípio variacional e ser escrita
como
u 1  2 u
13

 F | u | 2 u  0
i
2
z 2 x
Assim, podemos usar uma solução do tipo (4) e considerar a parte real de Lagrange como
1
14
Lx     2  U  
2
de tal forma que a energia total do sistema pode ser escrita como
1

15
E     dx    2   U  
2


Usando a equação
d
16
  2U  
dx
a densidade de energia do pulso de óptica não-linear pode ser obtida como sendo
1
17 
  x    2  U    2U  
2
Conclusões
Analizou-se a energia de um sistema óptico específico. Para esses sistemas especificamente
pode-se obter a equação NLS a partir da lagrangeana. Pode-se calcular a densidade de energia
e sua relação com F(|u|2). A equação de Euler-Lagrange mostra que a parte real da
Lagrangeana se comporta de maneira que seja possível obter uma análise simples de energia
de um sistema óptico não-linear.
L
Agradecimentos
Os autores agradecem ao IEAv-DCTA.
[1] ABLOWITZ, M. J.; CLARKSON, P. A. Solitons Nonlinear Evolution Equations, and
Inverse Scattering. Cambridge University Press, New York, 1991.
[2] BOYD, R. W. Nonlinear Optics. Academic Press, San Diego, CA, 1992.
[3] SHEN, Y. R. Principles of Nonlinear Optics. Wiley, New York, 1984.
48
OBTENÇÃO DOS PARÂMETROS DE DETONAÇÃO E DE DETECÇÃO
DA EMISSÃO DE OH* E H2O* PARA UM SISTEMA DE DETONAÇÃO
PULSADA1
F. B. D. Filho1; C. S. T. Marques 2*
ETEP Faculdades - Depto de Eng. Mecânica, S. J. dos Campos - SP
2
Instituto de Estudos Avançados - Aerotermodinâmica e Hipersônica, S. J. dos Campos - SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: PDE, Chapman-Jouguet, Endo-Fujiwara, expansão de Taylor, emissão.
Introdução
Detonação é um meio eficiente de combustão e liberação de energia química; um processo de
combustão supersônica pré-misturada ou uma onda de choque supersônica fortemente
acoplada a uma frente de detonação estreita [1], que se propaga adiabaticamente com grande
variação de pressão. O motor de detonação pulsada (PDE) é um dos novos dispositivos
tecnológicos de propulsão para regimes de Voo subsônico, supersônico e hipersônico e a
principal aplicação está relacionada ao desenvolvimento do motor hipersônico scramjet. Neste
trabalho, foram simuladas as condições do ciclo de detonação para um PDE: detonação
Chapman-Jouguet, expansão dos produtos de detonação por Endo-Fujiwara [2] e Taylor [3], e
exaustão por uma tubeira [3], estabelecendo as condições de voo para o sistema. Também se
estabeleceu os parâmetros de detecção para a emissão do OH* e da H2O* e um método para a
determinação de temperaturas em combustão a altas pressões foi testado.
Metodologia
As condições de detonação ideal CJ (1D) foram determinadas com o programa CEA/NASA,
os demais cálculos foram realizados em Excel, as equações são mostradas na Tab. 1 [2-3].
Tabela 1: Equações utilizadas para a obtenção dos parâmetros de Detonação Pulsada.
Os parâmetros de detonação: pressão (PCJ), temperatura (TCJ), número de Mach CJ (MCJ),
velocidade de detonação DCJ e velocidade dos produtos (cCJ) e os de expansão por Endo1
Projeto: Estudo da Detonação Pulsada por Técnicas de Diagnóstico
49
Fujiwara e Taylor: pressão (P3), temperatura (T3) e velocidade do som (c3) foram
estabelecidos para um PDE com volume de reação de 1,55 L. Além disso, foram calculadas as
pressões e temperaturas médias do ciclo PDE, já que são as que melhor representam os
resultados experimentais. A partir desses dados foram estabelecidas as condições na saída da
tubeira e as pressões e nos. de Mach de voo em função da altitude, considerando-se fluxo
isentrópico e estacionário. A Tabela 2 mostra os resultados obtidos.
Tabela 2: Parâmetros de detonação das misturas de gases ideais de H2/ar e C2H4/ar.
Foi realizado um estudo das interferências espectrais para as espécies luminescentes
OH*(306,4 nm) e H2O* (927,7 nm), tendo-se estabelecido a largura experimental máxima de
1,2 e 2 nm, respectivamente. Para determinar a temperatura em combustão a altas pressões
q =0,4 atm
foram realizadas simulações da
q =3,4 atm
R=0,9616
razão das áreas da emissão do OH*
306,7-307,1 nm (R2) / 306,2-306,7
nm (R1), através dos espectros com
resolução ~0,1 nm do LIFBase. O
método é válido para pressões e
razão
de
equivalência
()
constantes, com erros ~4-7% (Fig.
1). Porém, para variações de pressão
Temperatura/ K
Temperatura / K
e  não se obtém um ajuste linear. Figura 1: Razão da emissão de OH* versus temperatura.
1.50
1.150
1.145
Razão de Emissão do OH*
1.140
1.135
1.130
1.125
1.45
Razão de Emissão do OH*
PCJ = 6,4 atm
PCJ = 14 atm
PCJ = 21 atm
PCJ = 29 atm
R = 0,9478
R = 0,9391
R = 0,9332
1.40
1.35
1.30
1.120
1.25
1.115
1.110
1.20
1.105
1.100
2300
1.15
2400
2500
2600
2700
2800
2900
3000
3100
1000
1200
1400
1600
1800
Conclusões
Os resultados mostraram que será possível simular experimentalmente as condições de voo de
um PDE nas faixas de velocidade ~19402605 m/s e Mach ~2,83,7, e que o envelope de voo
é de transônico a supersônico. O método para temperatura é válido a pressões e  constantes.
Agradecimentos
Ao CNPq (118237/2009-8) e a FAPESP (2008/10548-5) pelo financiamento.
[1] BUSSING, T., PAPPAS, G., Pulse Detonation Engines. Prog Astron. Aeronautics, v.
165, p. 421-472, 1996.
[2] ENDO, T.; FUJIWARA, T. A, Simplified Analysis on a Pulse Detonation Engine Model.
Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., v. 44, p. 217-222, 2002.
[3] COOPER, M; SHEPHERD, J., Effect of Transient Nozzle Flow on Detonation Tube
Impulse. In: AIAA/ ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit., 40, Florida:
Ft Lauderdale, 2004, AIAA2004-3914.
50
ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CARBONITRETAÇÃO À PLASMA
NAS PROPRIEDADES DE UM AÇO ABNT 4340 COM
MICROESTRUTURA MULTIFÁSICA
I. R. Carrer1*; A. J. Abdalla2; M. J. R. Barboza1
Escola de Engenharia de Lorena - EEL/USP, Lorena-SP
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv/ CTA, São José dos Campos-SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Aço AISI 4340, carbonitretação, microestrutura, fluência.
Introdução
Uma melhoria na tenacidade, na resistência à tração e no aumento da vida em fadiga dos aços
da série 4340 tem sido obtida através de tratamentos térmicos envolvendo transformação de
fases. As primeiras pesquisas, utilizando o processo de transformação de fases resultaram nos
chamados aços bifásicos [1] e posteriormente nos aços multifásicos, ou de fases complexas.
Estas estruturas são obtidas através de tratamentos térmicos intercríticos, isotérmicos ou
processamentos termomecânicos e têm sido muito utilizada na indústria [2]. O aço AISI/SAE
4340 combina profundo endurecimento, mantendo uma ductilidade aceitável, elevada
resistência e razoável tenacidade, além de apresentar boa soldabilidade. A melhoria das
propriedades mecânicas tem sido obtidas através de tratamentos termoquímicos [3-4].
Combinações de tratamentos térmicos e de recobrimento superficial do aço 4340 estão sendo
buscadas, pois ainda hoje, na indústria aeronáutica, é usado o cromo duro, que apresenta
grande perda na vida em fadiga [5]. Neste trabalho, propõe-se um tratamento para substituir
os tratamentos tradicionais insatisfatórios utilizados até o momento no setor.
Metodologia
Neste trabalho foi utilizado o aço AISI 4340. Estes foram submetidos aos seguintes
tratamentos térmicos: a) Normalização: Aquecimento a 900C durante 1h e resfriamento no ar
para a formação de estrutura ferrítica/perlítica; b) Têmpera e Revenimento: Aquecimento a
900C por 30min, seguido de tempera em óleo e revenimento a 400C por 2h para a formação
de estrutura de martensita revenida e, c) Tratamento Isotérmico: Aquecimento a 900C por
30min, seguido de tratamento isotérmico em banho de sal a 320C por 15min e resfriamento
em água gelada para a formação de estrutura bainítica. Posteriormente estas foram submetidas
ao tratamento de nitrocarbonetação a plasma. As amostras foram nitretadas a 500C por 3h
em uma atmosfera contendo, 75% N2 – 23,5%H2 – 1,5% CH4 com o objetivo de formar uma
camada fina na superfície da chapa. A caracterização da camada superficial foi examinada por
meio da difração de raios-X (XRD). Amostras foram preparadas para medidas de microdureza
e analisadas por microscopia confocal a laser, no IEAv-DCTA.
A composição apresentou os seguintes percentuais em peso: 0,39% de C, 0,001% de S,
0,017% de P, 0,26% de Si, 0,64% de Mn, 0,80% de Cr, 1,82% de Ni, 0,22% de Mo e Fe em
balanço.
51
As análises dos diagramas obtidos através de difração de raios-X mostraram que, ao aplicar o
tratamento a plasma, os principais componentes da camada de compostos foram os nitretos de
ferro Fe2-3N e Fe4N.
Na Figura 1, obtida por microscópio confocal a laser, pode-se observar a região branca na
superfície, onde houve a formação da camada carbonitretada e a região de difusão atômica
próximo à camada superficial, para as diferentes microestruturas obtidas nos tratamentos.
A
B
C
Figura 1: A)Têmpera e Revenimento (4,8KX); B)isotérmico (1,2KX); C)Recozimento
(3,6KX).
A Tabala 1 apresenta o valor da microdureza da camada superficial endurecida a plasma e do
substrato.
Tabela 1: Apresenta o perfil de microdureza do substrato.
Dureza do substrato e da camada carbonitretada (HV0,05)
Tratamento térmico
Normalização
Têmpera e Revento.
Isotérmico
substrato camada substrato camada substrato camada
Sem tratamento
341
-505
-498
-Nitrocarbonetação/plasma
330
880
450
950
400
870
Conclusões
Estes aços apresentam uma microestrutura bastante refinada e complexa, mostrando aumento
na dureza do substrato devido ao tratamento de têmpera e isotérmico, um alto valor de dureza
das camadas carbonitretadas e uma redução na dureza do substrato devido ao tempo de
permanência a 500ºC no tratamento a plasma.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao IEAv pela oportunidade, ao CNPq pela bolsa de iniciação científica,
ao ITA, ao DEMAR/EEL/USP e IAE/CTA pelo apoio nas atividades experimentais.
[1] HAYAMI, J., FURUKAWA, T., Microalloying, Vanitech, 1975, p.78-87.
[2] ANDRADE, S.L.; BATISTA, J.F.; TAISS, J.M.; ROSA, L.K.; In: Congresso ABM, 2002.
[3] SIRIN, S.Y., SIRIN, K., KALUC, E., Materials Characterization 59, p. 351 - 358, 2008.
[4] PODGORNIK, B., VIZINTIN, J., Material Science and Engineering A315, p. 28 – 34,
2001.
[5] ABDALLA, A. J.; HASHIMOTO, T. M.; MOURA NETO, C.; PEREIRA, M. S.;
SOUZA, N. S.; MENDES, F. A. CONGRESSO ABM, 2004. Anais do 59° Congresso Anual
da ABM, 2004, 8p.
52
INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO DE EXPERIMENTOS
DEDICADOS AO ESTUDO DO EFEITO DA RADIAÇÃO IONIZANTE
EM COMPONENTES ELETRÔNICOS E FOTÔNICOS DE USO
AEROESPACIAL1
G. S. Ferreira; R. G. Vaz; O. L. Gonçalez*
*[email protected]
Palavras-chave: LabView, radiation effects, total ionizing dose, temperature, FPGA.
Introdução
A radiação ionizante afeta componentes eletrônicos de diferentes maneiras, sendo que, para
dispositivos de tecnologia MOS, são importantes os efeitos de dose total ionizante, que
alteram a tensão limiar (Vth) e a corrente de fuga. Para a qualificação de dispositivos
eletrônicos para uso aeroespacial, os quais devem operar por longo tempo sujeitos à radiação
cósmica, são realizados testes acelerados em solo, para determinar a variação de seus
parâmetros operacionais com a dose acumulada e o limiar de falha total do dispositivo. Neste
trabalho são apresentados as medidas e o registro da temperatura de um dispositovo FPGA
durante um ensaio de irradiação no Laboratório de Radiação Ionizante em um dos
experimentos do Projeto PEICE [1]. O objetivo deste trabalho é apresentar a parte
concernente à medida da temperatura executada com o controle do software LabView [2].
Metodologia
A temperatura do FPGA foi medida com um sensor NTC, cuja resposta em temperatura é
obtida da função que converte a corrente medida em temperatura. A medida de corrente foi
realizada com um multímetro HP 3457A, controlado pelo software LabView, através de uma
interface GPIB. Na figura 1 é apresentado um esquema do arranjo experimental completo [3].
Nas Fig. 2 e 3 são apresentados, respectivamente, o programa para medida e registro de
temperatura do NTC e o painel de medida da temperatura do FPGA, que são as interfaces de
programação e de visualização do software LabView. O registro da temperatura em função do
tempo de irradiação (dose acumulada) foi feito num arquivo texto exportável.
Na Figura 4 é apresentada a variação da temperatura do FPGA durante a irradiação. Nesta
figura observa-se que a temperatura do dispositivo, que estava energizado e em operação
durante toda a irradiação, manteve-se estável, variando entre 27,5 e 27,9°C, até a dose
acumulada de aproximadamente 40Krad. A partir desta dose, apresentou um crescimento,
atingindo o valor máximo de 28,8°C em 53,5 Krad de dose acumulada. Comparando com a
monitoração dos parâmetros operacionais do dispositivo verificou-se que este crescimento
acompanha as variações de tempos de atraso e do "duty cycle" dos pulsos lógicos processados
nas diferentes cadeias lógicas prefixadas para o teste [3]. A seguir a temperatura voltou a cair,
atingindo um mínimo em 69Krad, período este em que começaram a ocorrer falhas totais com
a supressão dos pulsos lógicos das diferentes cadeias lógicas em teste, até a falha completa do
dispositivo em 69Krad. Continuando a irradiação até 77,6 Krad a temperatura voltou a crescer
Projeto: Instrumentação e automação de experimentos dedicados ao estudo do efeito da radiação ionizante em
componentes eletrônicos e fotônicos de uso aeroespacial.
1
53
monotonicamente, indicando que, mesmo com o dispositivo inoperante, ainda continuavam
ocorrendo alterações nos transistores que compõem as bases das células lógicas do FPGA.
LabView Virtual Platform
GPIB BUS
Multimeter Agilent
Model 34410A
GPIB-LAN E5810A
GPIB BUS
60Co
Source
Multimeter HP
Model 3457A
VEE Virtual Platform
10K3A1B
Digital Oscilloscope
Logic Analyzer
Agilent MSO8104A
Agilent 16822A
Logic Analyzer Platform
Router D-link DIR-300
Figura 1: Arranjo experimental.
Figura 2: Diagrama de blocos do programa.
29,0
Temperatura (ºC)
28,5
28,0
27,5
27,0
26,5
0
45
6
10 4
31
14 7
88
19 1
44
24 5
00
28 8
64
33 4
20
37 8
77
42 2
33
46 6
90
51 0
50
56 5
06
60 9
63
65 3
08
69 5
65
74 0
21
3
26,0
Dose (rad)
Figura 3: Painel de controle do instrumento.
Figura 4: Medidas da temperatura.
Conclusões
O controle de temperatura do dispositivo executado neste trabalho é um indicador
complementar importante nos ensaios de irradiação de componentes eletrônicos. Deve-se
notar, que corrobora com fenômenos já conhecidos observados quanto aos efeitos da dose
total ionizante em transistores de tecnologia MOS, a saber: variação da tensão limiar (ou
tensão de threshold) e aumento da corrente de fuga, seguidos pela variação de temperatura.
Agradecimentos
Ao CNPq e à FINEP (Convênio 01.07.0628.00) pelo financiamento total do projeto.
[1] Gonçalez, O. L. et all. Projeto PEICE: Efeitos da Radiação em Componentes Eletrônicos e
Fotônicos. Caderno de Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento - Instituto de Estudos
Avançados - IEAv, p. 18, vol 1, mar/2007-fev/2008. São José dos Campos: IEAv, 2008.
[2] National Struments. LabViewTM Basic Course I: Introduction Course Manual. Disponível
em www.ni.com. Acesso 24 jun 2010.
[3] Kastensmidt, F. L; Pereira Junior, E. C. F.; Vaz, R. G.; Gonçalez, O. L.; Chipana, R. and
Wirth, G. I. TID in Flash-based FPGA: Power Supply-current Rise and Logic
FunctionMapping Effects in Propagation-delay Degradation. Full paper submited and
accepted at RWREC 2010, USA, 2010.
54
ESTUDO DA COMBUSTÃO DO GÁS LIQUEFEITO DE PETRÓLEO
(GLP) PELA TÉCNICA DE FLUORESCÊNCIA INDUZIDA POR LASER
PLANAR (PLIF)
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: Fluorescência induzida por Laser (LIF), técnicas de diagnóstico em
combustão não intrusivas, radical NOx e PLIF.
Introdução
O uso de técnicas de diagnóstico da combustão utilizando lasers é vantajoso em relação aos
métodos convencionais que são geralmente intrusivos e que acarretam distúrbios na própria
queima [1]. O método de diagnóstico utilizando LIF [2] utiliza especificamente um ou mais
lasers para excitar um estado determinado da molécula ou radical e produzir seletivamente um
estado excitado da espécie a ser monitorada. Se o tempo de vida do estado excitado da espécie
é curto comparado aos processos de desativação colisional, o estado excitado decairá para um
estado mais estável por fluorescência. Esta fluorescência geralmente ocorre no comprimento
de onda do UV-Visível e pode ser detectada usando tubos fotomultiplicadores ou câmaras
ICCD. Recentemente, as técnicas utilizando lasers têm evoluído para as chamadas técnicas
planares. No caso da Fluorescência Induzida por Lasers, têm sido aplicados em larga escala
sistemas que utilizam a Fluorescência Induzida por Lasers Planar (PLIF – Planar Laser
Induced Fluorescence). Esta técnica foi estabelecida em nosso grupo no ano de 2006 e, desde
então, temos estudado PLIF do radical OH [3-4] e NO [5]. O objetivo deste projeto é a
aplicação da técnica de PLIF (Fluorescência Induzida por Laser Planar) do radical CH para
visualização da zona de reação numa chama pré-misturada de GLP/ar, a diferentes razões
estequiométricas. Antes de efetuar os experimentos de PLIF é necessário a obtenção do
espectro de fluorescência induzida por laser (LIF), para selecionar a linha espectral adequada
para o PLIF.
Metodologia
Os sistemas para PLIF são compostos, basicamente, de quatro componentes: 1 – Laser de
corante (bombeado por laser de Nd-YAG com freqüência dobrada ou triplicada) ou, em
aplicações específicas, de um laser de Nd-YAG com freqüência quadruplicada (neste trabalho
utilizaremos freqüência dobrada); 2 – Sistema óptico, compostos de lentes cilíndricas
adequadas, que transformam o feixe do laser em um feixe “plano”, de reduzida espessura; 3 –
Uma câmara ICCD para detecção da fluorescência e captura das imagens formadas pela
interação do feixe do laser com o sistema em estudo; 4 - Sistema de aquisição e tratamento de
dados. Como fonte de radical NOx será utilizada uma chama pré-misturada de GLP/ar nas
mesmas condições e no mesmo queimador utilizado por Santos [1].
Como pode se observar na Fig. 3, obtivemos o espectro LIF do NOx experimentalmente e
comparando com o espectro simulado, pudemos identificar exatamente a região espectral que
trabalhamos.Com isso definimos o comprimento de onda para obtenção da imagem do PLIF e
através da comparação com a imagem de uma régua colocada sobre o queimador pode-se
55
dimensionar a imagem obtida foi obtido imagens em duas diferentes alturas e pode-se
observar que na região próximo ao topo do queimador a concentração da radical NOx é menor
comparado com a região 15mm acima.
Figura 1: Montagem experimental para
obtenção do espectro LIF.
Figura 2: Esquema experimental de um
sistema para PLIF.
Figura 3: Resultados: à esquerda espectro LIF experimental e simulado do NOx na região de
225.3 a 225.5 nm, à direita imagem da régua e PLIF do NO obtido em 225.494 nm.
Conclusões
Pode-se concluir que é possível obter a imagem do PLIF do NOx numa chama pré-misturada
de GLP/ar,que é de interesse da divisão para medidas em túnel de choque, e que
qualitativamente pode-se observar diferentes concentrações de NOx em diferentes alturas da
chama comparando as intensidades luminosas.
Agradecimentos
A Dra. Maria Esther Sbampato pelo auxilio no tratamento de dados ao CNPq e FAPESP.
[1] SANTOS L. R., Medições de temperaturas de chamas de etanol utilizando
fluorescência induzida por laser. São Paulo, 2005. 121p. Tese de doutorado, IQ- USP.
[2] BARRETA L. G., Estudo de espécies transientes obtidas a partir da dissociação
multifotônica do metanol. São Paulo, 1993. 87p. Tese de doutorado, I Q-USP.
[3] N. A. JANUARIO; M. E. SBAMPATO; L. G. BARRETA, I Seminário de Iniciação
Científica do IEAv (I SICI 2007).
[4] M. E. SBAMPATO; L. G. BARRETA; M. dos SANTOS, XXX Encontro Nacional de
Física da Matéria Condensada, São Lourenço (2007).
[5] C. S. T. Marques; L. G. Barreta; M. E. Sbampato; L. R. dos Santos; A. M. dos Santos,
XXXI Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, Águas de Lindóia (2008).
56
DETERMINAÇÃO DE TEMPERATURA POR MEIO DA
COMPARAÇÃO DE ESPECTROS TEÓRICOS E EXPERIMENTAIS
1
A. P. L. Guimarães1*; D. A. Machado1*; D. Carinhana Jr2
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP, Guaratinguetá, SP
2
Instituto de Estudos Avançados, EAH, São José dos Campos, SP
*{ana_paula_lg, danilodoors}@hotmail.com
Palavras-chave: Espectroscopia de emissão; chama; CH*; LIFBASE.
Introdução
Métodos não-intrusivos de diagnóstico, como a análise espectral da radiação emitida pelo
sistema, têm sido empregados como uma alternativa viável para determinação de temperatura
de sistemas de combustão. Dentre eles, a espectroscopia de emissão natural possui a vantagem
de requerer dispositivos experimentais relativamente simples. Uma vez que as espécies são
formadas diretamente no estado excitado, processo esse conhecido por quimioluminescência,
basta a coleta de radiação e o registro do espectro de emissão para a determinação da
temperatura. Para tanto, um dos processos mais utilizados consiste na comparação direta entre
os espectros experimentais e os espectros teóricos construídos a partir de um programa
computacional. O objetivo deste trabalho consiste em se determinar a temperatura de uma
chama por meio da espectroscopia de emissão natural do radical CH*.
Metodologia
As chamas utilizadas foram obtidas por meio de um bico de Bunsen. Este tipo de queimador é
amplamente utilizado em laboratórios como fonte de aquecimento. Sua chama consiste na
queima de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo) e ar atmosférico. Para a coleta dos espectros foi
utilizado o espectrômetro Ocean Optics HR 4000 na região de 340nm a 435nm. Os espectros
foram obtidos na região correspondente ao cone interno, na qual se observa o máximo de
emissão da espécie CH*. Ao todo, foram obtidos 15 espectros, sendo cinco pontos em cada
região da chama. A temperatura rotacional do radical CH* foi determinada a partir da
comparação entre o espectro experimental e as curvas teóricas produzidas com o uso do
programa gratuito LIFBASE [1]. Para a simulação, basicamente foram utilizados como dados
de entrada a resolução espectral e a estimativa da temperatura. Para a determinação da
resolução espectral experimental, foram obtidos espectros de uma lâmpada de mercúrio na
região de emissão da espécie CH*. O ajuste dos espectros foi feito com base no parâmetro chiquadrado (valor do quadrado da diferença entre os espectros teórico e experimental). Quanto
menor for este parâmetro, melhor a sobreposição entre ambos. O cálculo da temperatura da
espécie CH* foi efetuado a partir da banda (A-X).
A resolução instrumental dos espectros foi de 1,5 Å, valor correspondente à largura na meiaaltura da linha de mercúrio em 546,08 nm. A Fig. 1 mostra a tela principal do programa
LIFBASE com um exemplo de comparação entre os espectros.
57
Figura 1: Tela principal do programa LIFBASE contendo o espectro simulado e o espectro
experimental, ambos sobrepostos.
Foram escolhidos três pontos no cone interno da chama para a medição da temperatura do
CH*. A região 1 se encontra na base do cone interno, a região 3 corresponde ao topo do cone
interno e a região 2 entre eles, todos numa mesma linha vertical. Na Tab. 1 são mostrados os
valores de temperatura, a média aritmética e o desvio padrão em cada região.
Tabela 1: Valores de temperatura.
Região
1
2
3
Altura
(cm)
0,5
2,0
3,5
Temperatura (K)
1700
1800
1700
1700
1750
1700
1700
1750
1700
1700
1750
1750
1750
1700
1700
Média da
Temperatura (K)
1710
1750
1710
Desvio
Padrão
22
35
22
Segundo os dados da Tab. 1, não há variação apreciável da temperatura nas regiões
analisadas. Esses valores são consistentes com os obtidos por outros métodos de uso
consagrado na literatura, como termopares, da ordem de 1800 K [2].
Conclusões
Com a técnica de espectroscopia molecular de emissão natural foi possível determinar a
temperatura de uma chama produzida no bico de Bunsen. Os valores de temperatura
encontrados se aproximam aos determinados por meio de outras técnicas de diagnóstico, o
que credencia sua aplicação em sistemas de combustão mais complexos, como em motores
hipersônicos.
Agradecimentos
Ao programa PIBIC/IEAv pela bolsa de iniciação científica e ao CNPq pelo financiamento do
projeto (480987/2007-6).
Referências Bicliográficas
[1] D. CARINHANA, JR., L. G. BARRETA, C. J. ROCHA, A. M. DOS SANTOS, C. A.
BERTRAN Determination of Liquefied Petroleum Flame Temperatures using Emission
Spectroscopy, J. Braz. Chem. Soc., 7, 1326-1335, 2008.
[2] MCPHERSON, W. A course in General Chemistry, Ithaca, NY: Cornell University
Library, 574p, 2009.
58
CARACTERIZAÇÃO DE PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE
COMPÓSITOS DE SBS E POLIANILINA OU NEGRO DE FUMO
CONDUTOR NA FAIXA DE RF E MICROONDAS
M. M. Cossa1, A. S. Sirqueira1, P. H. S. Picciani2, B. G. Soares2, B. A. Cunha3*,
A. C. C. Migliano4
1
Universidade Estadual da Zona Oeste, Rio de Janeiro – RJ
2
Instituto de Macromoléculas, UFRJ, Rio de Janeiro – RJ
3
Universidade Braz Cubas – Engenharia Ambiental, Mogi das Cruzes – SP
4
*[email protected]
Palavras-chave: EMC/EMI, negro de fumo, polianilina, compósitos condutores, absorvedor
de RF, interferência eletromagnética.
Introdução
Campos eletromagnéticos podem afetar o funcionamento de equipamentos eletrônicos, sendo
esse efeito uma função do tipo de radiação eletromagnética. Linhas de transmissão e
distribuição de energia elétrica são alguns causadores dessas interferências eletromagnéticas.
Existem várias medidas que podem ser adotadas para controlar essas interferências. Entre elas
destaca-se a blindagem de salas com revestimentos adequados. É de conhecimento geral, a
eficiência de metais na blindagem eletromagnética [1]. Entretanto, metais e seus compósitos
com polímeros possuem desvantagens tais como: alto peso, possibilidade de corrosão, e
rigidez física. Desta forma, estas desvantagens limitam a confecção de artefatos,
principalmente revestimentos. O revestimento de salas compreende a aplicação do material
em pisos, paredes e tetos. Cada parte de um compartimento é construída com diferentes
materiais. Os polímeros (plásticos e borrachas em geral) são altamente versáteis para esse tipo
de aplicação, porém não são capazes de filtrar a radiação eletromagnética. Exige-se, portanto,
a utilização de aditivos, capazes de exercer essa função. Dentre eles, a polianilina e o negro de
fumo puros ou combinados podem atuar como materiais absorvedores de ondas
eletromagnéticas [2-3]. Além da alta condutividade elétrica, esses materiais, quando
combinados a matrizes poliméricas convencionais podem também apresentar várias outras
vantagens, tais como: baixo peso, boa flexibilidade, e facilidade de preparação de peças tais
como tapetes e revestimentos de parede.
Nesse trabalho serão discutidos o comportamento elétrico e mecânico do copolímero de
estireno-butadieneo (SBS) e o seu desempenho como absorvedor de ondas eletromagnéticas,
visando futuras aplicações em revestimentos e pisos de salas.
Metodologia
A amostra foi desenvolvida por pesquisadores do grupo de pesquisas Modificação de
Propriedades Físico-Mecânicas de Misturas Poliméricas, do Instituto de Macromoléculas da
UFRJ. O compósito à base de copolímero estireno-butadieno-estireno (SBS) com 70% de
butadieno (Petroflex Ind.), negro de fumo condutor XE2 (Degussa) e polianilina dopada com
ácido dodecilbenzenossulfônico (Pani.DBSA) foi preparado no laboratório do IMA/UFRJ. O
material híbrido composto de polianilina/negro de fumo foi preparado pela técnica de
polimerização “in situ” da anilina na presença de negro de fumo. As misturas envolvendo
SBS foram preparadas em misturador interno Haake Rheomix 600, à temperatura de 130°C
59
por 10 min. Variou-se a concentração de material absorvedor na matriz SBS até 33 % em peso
de polianilina e/ou negro de fumo. A condutividade volumétrica foi determinada com
Eletrômetro, da marca Keithley Instr., modelo 6517A. Nesses ensaios, as amostras utilizadas
foram prensadas na forma de disco, com 38 mm de diâmetro, de acordo com o procedimento
descrito na ASTM D257-99.
As propriedades mecânicas medidas estão representadas em termos dos valores de resistência
à tração e deformação na ruptura. As medidas foram realizadas em máquina de ensaio
universal Instron 5569, com velocidade de ensaio de 100 mm/min. A blindagem
eletromagnética foi determinada em analisador de redes da Agilent Co. Com uma fonte
oscilatória de varredura. As amostras foram analisadas na faixa de 8 a 12GHz em guia de
ondas.
A Tabela 1 apresenta os resultados de condutividade e propriedades mecânicas de misturas
envolvendo SBS e vários aditivos condutores como PAni, negro de fumo e materiais híbridos
de PAni e negro de fumo. Observa-se que para uma mesma proporção de aditivo condutor, o
negro de fumo apresenta o melhor desempenho em termos de condutividade elétrica. Por
outro lado, as melhores propriedades mecânicas foram alcançadas quando se utilizou
polianilina ou híbrido PAni/NF.
Tabela 1: Condutividade de compósitos condutores à base de SBS.
Aditivo condutor
Condutividade
B
B
(S/cm)
Tipo
Proporção
(MPa) (%)
PAni
15
3,9 x 10-5
10,4
400
-2
redopada
30
2,9 x 10
6,3
90
negro de
15
4,6 x 10-2
7
120
fumo
30
4,7 x 10-0
5
80
-6
PAni.NF
15
1,5 x 10
10
140
“in situ”
30
7,5 x 10-2
8
115
Conclusões
Para uma mesma proporção de aditivo condutor, o negro de fumo apresenta o melhor
desempenho em termos de condutividade elétrica. Por outro lado, as melhores propriedades
mecânicas foram alcançadas quando se utilizou polianilina ou híbrido PAni/NF.
Agradecimentos
CNPq-Proc. 554912/2006-6 - Edital CTENERGIA; Projeto"Nanocompósitos condutores para
fabricação de revestimentos protetores contra interferência eletromagnética", Projeto FAPERJ
Procs. E-26/152.717/2006; E-26/102.746/2008; E-26/171.513/2006.
[1] J. JOO, A. J. EPSTEIN, Appl. Phys. Lett., vol. 65, 1994 pp 2278.
[2] S. KOUL, R. CHANDRA, S. K. DHAWA Conducting polyaniline composite for ESD and
EMI at 101 GHz, Polymer, vol. 41, pp 9305, 2000.
[3] A. P. CHACKO, S. S. HARDAKER, R. V. GREGORY AND T. W. HANKS Melting
transition in the leucoemeraldine form of polyaniline, Polymer, vol. 39, pp 3289-3293, 1998.
60
PROCESSAMENTO DE IMAGENS OBTIDAS COM DIFERENTES
ÂNGULOS DE VISADA PARA APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO
AUTÔNOMA
C. G. José1,2*; E. H. Shiguemori2*
Universidade de Mogi das Cruzes - SP
2
*{caiogomes; elcio}@ieav.cta.br
1
Palavras-chave: Visão computacional, detecção de características, comparações de imagens.
Introdução
Nos últimos anos, nota-se um contínuo crescimento de pesquisas pela utilização de VANTs
(Veículo Aéreo Não Tripulado) em diversas aplicações, devido ao baixo custo de operação e
de desenvolvimento. Os VANTs podem ser controlados por terra ou autônomos, utilizando,
por exemplo, GPS, sendo que este processo pode apresentar falhas e sofrer interferência
externa [1]. Uma possível alternativa é a utilização de um sistema de navegação com
localização automática do VANT baseada em imagens [1]. O projeto PITER, em
desenvolvimento no IEAv, tem por objetivo demonstrar o conceito de navegação autônoma
por imagens para VANT’s. Numa das estratégias abordadas em navegação aérea por imagens,
estuda-se a busca automática por pontos correspondentes em imagens com diferentes ângulos
de visada. Neste trabalho são utilizadas imagens, obtidas por diferentes ângulos de visada, que
são comparadas com imagens obtidas por visada nadir. As informações destas imagens podem
ser usadas para rastrear um marco relevante no solo e auxiliar o cumprimento seguro e
eficiente de uma missão pré-planejada para o VANT.
Metodologia
A metodologia adotada para o processamento de imagens com imagens obtidas por visada
oblíqua consiste em selecionar pontos característicos nestas imagens com uso do algoritmo
SIFT [2], que é muito utilizado na literatura por ser invariante à escala, rotação e translação.
Em seguida, o mesmo procedimento é realizado aplicando-se o algoritmo em imagens obtidas
em instantes de tempo diferente. Este procedimento é aplicado com o objetivo de se encontrar
os mesmos marcos nas duas imagens com diferentes ângulos de visada.
O emprego do algoritmo SIFT requer a seleção de um valor ideal de um parâmetro que define
a quantidade de pontos característicos a serem comparados, foi verificada uma variação deste
parâmetro, cujo valor adequado para a aplicação foi 0,5. Primeiramente, foram considerados
marcos relevantes como prédios, que foram extraídos de imagens de uma videografia
realizada sobre a cidade de São José dos Campos. Com o deslocamento da câmera, foram
capturados prédios com diferentes ângulos de visada, resultando em diferenças nas imagens
de um mesmo marco. As imagens apresentadas na Fig. 1 ilustram estas diferenças. A Fig. 1(a)
apresenta um prédio obtido no instante de tempo t, enquanto na Fig. 1(b) pode-se observar o
mesmo prédio, mas obtido no instante t  t , sendo possível observar diferenças entre as
duas imagens (em destaque). Foram considerados 3 conjuntos de imagens, em diferentes
instantes de tempo, para captura de imagens dos prédios, sendo consideradas 8 imagens. Na
Tab. 1 são apresentadas as médias de acertos de casamentos dos pontos característicos,
considerando diferentes instantes.
61
Tabela 1: Resultados com média visada oblíqua.
Captura
Acerto
0 a 1 segundo
100%
1 a 2 segundos
75%
2 a 3 segundos
60%
Como exemplo, é apresentado uma aplicação da metodologia na seqüência de imagens. Na
Fig. 1 (c) é apresentada a busca do mesmo prédio numa imagem obtida após 3 segundos.
Figura 1: (a) Primeira visualização do marco. (b) Última visualização do marco. (c)
Aplicação do SIFT em imagens de prédios.
Conclusões
No trabalho, foi apresentado um estudo para processamento de imagens obtidas com
diferentes ângulos de visada para aplicação na navegação autônoma. O algoritmo SIFT foi
aplicado para detectar os mesmos marcos em imagens com diferentes ângulos de visada. Esta
abordagem poderá ser aplicada em um sistema de navegação autônoma de um VANT e, desta
forma, auxiliar o cumprimento seguro e eficiente de uma missão pré-planejada.
Agradecimentos
Ao CNPq e ao COMAER, projeto PITER, No. V01050303.
[1] Shiguemori, E. H. ; Monteiro, M. V.T. ; Martins, M. P. Landmarks recognition for
autonomous aerial navigation by neural networks and Gabor transform. In: IS&T/SPIE 19th
Annual Symposium Eletronic Imaging Science and Technology, 2007, San Jose, CA, USA.
Image Processing: Algorithms and Systems V, 2007. v. 6497.
[2] Lowe, D. G. Distinctive image features from scale-invariant keypoints. International
Journal of Computer Vision, 60, 2 (2004), p. 91-110.
62
DETERMINAÇÃO DE TEMPERATURA DE CHAMA E
MAPEAMENTO DO RADICAL CH*
1
D. A. Machado1; A. P. L. Guimarães1; D. Carinhana Jr.2*
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá, UNESP, Guaratinguetá, SP
2
Instituto de Estudos Avançados, EAH, S. J. dos Campos, SP
*[email protected]
Palavras-chave: Diagnóstico de combustão, espectroscopia, GLP.
Introdução
Os métodos convencionais de determinação de temperatura de chama, como termopares, são
limitados para temperaturas até cerca de 2000 K. Acima desse valor, os materiais atualmente
disponíveis sofrem processos de oxidação que impedem a obtenção de medições confiáveis.
Nessas situações, métodos não-intrusivos, como a análise espectral da radiação emitida pelo
sistema, têm sido empregados como uma alternativa viável [1]. No caso de chamas e plasmas,
a temperatura rotacional de uma espécie presente no sistema pode ser utilizada como
indicativo da temperatura do mesmo. Isso se dá por meio do método de Boltzmann, cuja idéia
base consiste em relacionar a intensidade de emissão da espécie com a grandeza temperatura,
Eq. (1). O objetivo deste trabalho consiste na determinação de temperatura rotacional do
radical CH* utilizando a banda de emissão natural A-X e B-X e realizar o mapeamento do
radical CH*.
Metodologia
A análise da temperatura rotacional foi feita a partir de chamas pré-misturadas de GLP (Gás
Liquefeito do Petróleo), O2 e N2, com razão de equivalência, Φ, igual a 1,36. A aquisição de
dados foi realizada utilizando-se um espectrômetro Ocean Optics HR 4000, na faixa espectral
de 340nm a 430nm. Os espectros de emissão foram obtidos em quatro alturas diferentes, com
intervalo de 0,6 mm a partir do topo do queimador, com seis pontos numa mesma altura,
totalizando 96 espectros, pois em cada ponto foram analisados quatro espectros. Foram
utilizadas duas bandas de emissão, na região entre 385 nm e 430 nm, em que se localizam
respectivamente as transições (B2-X2) e (A2-X2) do radical CH*. A determinação de
temperatura da banda A-X foi realizada a partir da Eq. (1), em que os picos de intensidade (I)
medidos correspondem aos maiores valores de comprimentos de onda (λ) dos dubletos do
espectro na região de 417 nm a 423 nm. Na região da banda (B-X), há a sobreposição dos
ramos P e Q, o que impede a aplicação direta da Eq. (1), equação de Boltzmann. Para
contornar esse problema, foi introduzida a Eq. (2), que corresponde à razão entre a
distribuição da população dos ramos P e Q [2]:
hc
[ F ( N ´) F ( N ´5 )]}
I q S q { kT
 EJ ´
I4
ln(
)
 ln C (1)
(2)

e
S J ´J "
kT
Ip Sp
Para o mapeamento foram obtidos espectros de duas chamas com Φ = 1,02 e Φ = 1,36. A
chama foi dividida em 8 planos horizontais a partir da base da chama, onde foi coletada
radiação proveniente de 9 pontos diferentes em cada plano, totalizando, assim 72 espectros
para análise.
Na Fig. 1 é mostrado um espectro do radical CH*, com suas respectivas bandas A-X e B-X.
63
1200
Intensidade (u.a.)
1000
800
Banda A-X
600
Banda B-X
400
200
0
392
400
408
416
424
432
(nm)
Figura 1: Espectro ro-vibracional do radical CH*.
A temperatura média da banda A-X foi de 2592 ± 90K e da banda B-X foi de 2500 ± 102K.
Nos gráficos da Fig. 2 são mostrados os mapeamentos para cada uma delas. O eixo das
abscissas representa a altura da chama enquanto o eixo das ordenadas a intensidade, que está
relacionada com a quantidade relativa de espécies CH* presentes na chama. Por fim, cada
curva representa um plano horizontal da chama.
6mm
7mm
8mm
9mm
10mm
11mm
12mm
13mm
14mm
Banda A-X
1,0
0,9
Intensidade
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
6mm
7mm
8mm
9mm
10mm
11mm
12mm
13mm
14mm
Banda B-X
0,20
0,18
0,16
0,14
Intensidade
1,1
0,12
0,10
0,08
0,06
0,3
0,04
0,2
0,02
0,1
0,00
0,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Altura
2,5
3,0
3,5
4,0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Altura
Figura 2: Mapeamento do radical CH*, na banda A-X e banda B-X.
Pelo gráfico da esquerda da Fig. 2, observa-se que a emissão máxima ocorre na região de 1,6
mm a 2,4 mm. Nos extremos do plano horizontal, antes de 0,5 mm e após 13mm, não há
registro apreciável do sinal de emissão.
Conclusões
Os valores da temperatura obtidos a partir das bandas A-X e B-X são equivalentes e
compatíveis com os resultados obtidos em trabalhos anteriores [1]. A banda B-X, contudo,
apresenta a vantagem de requerer a medição da intensidade experimental de apenas cinco
picos que compõem o espectro de emissão da espécie CH*.
Agradecimento
Ao programa PIBIC/IEAv pela bolsa de iniciação científica e ao CNPq pelo financiamento do
projeto (480987/2007-6).
[1] D. CARINHANA, JR., L. G. BARRETA, C. J. ROCHA, A. M. DOS SANTOS, C. A.
BERTRAN Determination of Liquefied Petroleum Flame Temperatures using Emission
Spectroscopy, J. Braz. Chem. Soc. 7, 1326-1335, 2008.
[2] K. FURUYA et AL. Rotational distributions and threshold energies of the CH(B-X)
emission by controlled electron impact on methane, ethylene, and ethane, Chem. Phys., 221,
303-309, 1997.
64
CARACTERIZAÇÃO DE SENSORES DE INFRAVERMELHO
NANOESTRUTURADOS 1
E. C. Paul1; G. S. Vieira2; M. F. Mendonça2*
Universidade de Taubaté - Departamento de Matemática e Física, Taubaté – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: Fotossensores, responsividade, fotocorrente, infravermelho.
Introdução
O interesse do Brasil no domínio de tecnologias de fabricação de sensores de infravermelho é
bastante amplo. Sensores de infravermelho são de grande interesse estratégico em diversas
áreas relevantes para o país, como o agronegócio, o monitoramento ambiental, a segurança do
tráfego aéreo, o monitoramento de instalações industriais, petrolíferas e de mineração, as
forças armadas, a segurança civil e a área de saúde [1]. Na Divisão de Física Aplicada do
Instituto de Estudos Avançados (IEAv), são desenvolvidos sensores de infravermelho, em
especial, sensores de infravermelho nanoestruturados. Esse desenvolvimento vem sendo
realizado em parceria com outras importantes instituições de pesquisa do Brasil. Estas
instituições compõem hoje um dos Institutos Nacionais de Ciência e Tecnologia do CNPq,
com o tema: Nanodispositivos Semicondutores e sigla DISSE. O atual trabalho de iniciação
científica visa colaborar com o esforço de desenvolvimento desta classe de sensores, tendo
como objetivo a familiarização do bolsista com as técnicas básicas de caracterização de
dispositivos sensores de infravermelho e início de trabalho de verificação de reprodutibilidade
dos experimentos.
Metodologia
Para a caracterização eletro-óptica, o detector foi alojado em um criostato no qual se efetuou
alto vácuo (4×10-6 mbar) e foi resfriado com nitrogênio líquido (77 K). Para a emissão de
radiação infravermelha na faixa de detecção do sensor foi utilizado um corpo negro a 900 K,
cujo comprimento de onda de maior radiância é igual a 3,22 μm, tendo o seu sinal modulado
por um chopper a uma freqüência de 500 Hz. Como a atmosfera apresenta elevada absorção
do infravermelho na faixa desejada, especialmente devido ao gás CO2 e vapor de água, foi
utilizado um sistema de purga do caminho óptico, que consistiu de uma caixa de acrílico
lacrada onde foi injetado gás nitrogênio até o ponto de saturação. Para a leitura do sinal
detectado, a amostra foi ligada a uma fonte de tensão variável e então a um lock-in, que
também recebia o sinal de referência provindo do chopper. A amostra utilizada possuía oito
terminais, sendo sete ligados ao topo dos dispositivos e um ligado à base comum. Foram
medidos três dispositivos, utilizando-se quatro terminais (o topo de três, mais a base comum).
As medidas foram feitas para ligações com a base comum ligada na fonte e cada um dos
outros terminais ligados no lock-in. As medidas da corrente detectada no lock-in foram feitas
em função da distância da amostra até a fonte de radiação, da tensão ajustada na fonte e da
combinação utilizada nos terminais do sensor.
1
Projeto: Desenvolvimento de Sensores de Infravermelho Nanoestruturados com Transições Intrabanda e
Interbanda.
65
Na primeira tentativa da caracterização eletro-óptica, o ruído estava muito acima do esperado,
o que inviabilizou a realização das medidas. Apesar da fonte de ruídos não ter sido
identificada, provavelmente se devia a alguma interferência eletromagnética externa. O sinal
apresentava ruídos muito reduzidos numa segunda tentativa de medição em outro dia, sem
nenhuma alteração no arranjo experimental, o que permitiu que as medidas fossem tomadas.
Foram feitas medidas para as distâncias, em centímetros, entre o corpo negro e a amostra de
33,8 a 57,8. A fonte foi regulada para tensões de 1 a 5 volts, em incrementos de 1 volt. A
Tab.1 resume os resultados da responsividade da amostra para uma das combinações de
terminais utilizada. O Fig. 1 ilustra o valor médio de sua responsividade em função da tensão
aplicada.
Tabela 1: Responsividade calculada para a amostra (mA/W).
d (cm)
33,8
39,8
45,8
51,8
57,8
Sinal em 1 V Sinal em 2 V Sinal em 3 V Sinal em 4 V Sinal em 5 V
7,69
16,77
21,85
23,11
22,60
7,56
16,86
21,77
22,31
21,88
7,06
15,23
19,82
21,24
21,13
6,93
14,63
19,29
20,53
20,58
6,70
14,25
18,69
20,09
20,21
Figura 1: Responsividade média em função da tensão aplicada.
Conclusões
Em um período inferior a dois meses, o aluno-bolsista teve uma excelente oportunidade de
familiarização com os laboratórios de caracterização de sensores e os procedimentos da Física
experimental, o que muito contribuiu para a sua formação, especialmente tendo-se em vista o
seu possível ingresso em um curso de pós-graduação em um futuro próximo. Os resultados
apresentados na seção anterior sugerem que o valor da responsividade da amostra
caracterizada atinge um valor de saturação um pouco superior a 20 mA/W para uma tensão
aplicada da ordem de 4 V.
Agradecimentos
Gostaríamos de agradecer ao CNPq, pela concessão da bolsa que possibilitou a realização
desse projeto, à FINEP pelo financiamento do projeto dentro do qual este trabalho se insere e
ao LAS/INPE, pela cessão da bancada de caracterização de sensores.
[1] GUNAPALA S. D., Quantum well infrared photodetector research and development at Jet
Propulsion Laboratory, Infrared Science and Technology, v. 42, p. 267-282, 2001.
66
MONITORAÇÃO DE CLUSTER HETEROGÊNEO E NÃO DEDICADO:
UMA INTERFACE GRÁFICA MULTIPLATAFORMA PARA O
SISTEMA ROME
E. N.Watanabe1; A. Passaro2; N. M. Abe2*
2
*
[email protected]
1
Palavras-chave: Computação distribuída; processamento paralelo.
Introdução
O Sistema Robusto para Gerenciamento de Processamento Distribuído (ROME) foi
desenvolvido com objetivo de gerenciar clusters heterogêneos e não dedicados para a
realização de cálculos em paralelo para aplicações de grão grosso [1]. A utilização desse
modelo de processamento permite aos computadores que formam o cluster interagirem como
uma única máquina por meio de troca de mensagens, reduzindo o tempo de execução de
simulações e aplicações que envolvam otimizações computacionais. Entre as principais
características do ROME, encontram-se o balanceamento de carga e a tolerância a falhas em
tempo de execução, com um mínimo investimento de tempo de programação por parte do
usuário. O ROME permite a formação de clusters compostos por computadores com
diferentes configurações de hardware, assim como diferentes sistemas operacionais e permite
explorar as várias unidades de processamento (UP) dos modernos processadores multinúcleo
[2]. O sistema foi desenvolvido em linguagem Java e é composto por mais de quarenta
classes. Recentemente, o sistema foi aplicado na otimização computacional de moduladores
eletroópticos e de dispositivos semicondutores nanoestruturados, projetos de pesquisa do
Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) [3]. Na versão original, a configuração e entrada de
dados do cluster são efetuadas por meio de arquivos de texto editados pelo usuário. Isto torna
o sistema suscetível a falhas de manipulação de arquivos, devido à edição e formatação
manual de dados. A monitoração de clusters também é uma tarefa manual. O registro das
atividades de processamento e da distribuição de tarefas também é realizado em arquivos do
tipo texto. A identificação de problemas no processamento e a análise de erros detectados
durante a execução de uma tarefa é dificultada pela necessidade de intensa interação do
usuário. Normalmente, a ocorrência de problemas durante a execução somente é identificada
numa análise posterior à realização da simulação. Neste trabalho, é apresentado o estágio
atual do desenvolvimento da interface gráfica multiplataforma, que visa tornar mais intuitiva e
simples a utilização do sistema ROME, prevendo o monitoramento dos processos em tempo
de execução.
Metodologia
Sob o paradigma da orientação a objeto, a interface gráfica foi desenvolvida em linguagem
C++, com auxílio de ferramentas de desenvolvimento rápido de código fonte aberto, livre e
multiplataforma. Essas ferramentas incluem o Qt [4], para elaboração de interface gráfica,
integrado ao Eclipse [5]. Além disso, é utilizado o pacote de apresentação de gráficos do
SDK-LEVSOFT, desenvolvido no laboratório e adaptado ao Qt com uso do OpenGL. A
documentação é realizada sob os padrões da Linguagem de Modelagem Unificada (UML).
67
No estágio atual de desenvolvimento, a interface gráfica permite validar a configuração do
sistema ROME na UP mestre e nas UPs escravas para iniciar um novo processamento. Entre
as novas funcionalidades, encontram-se as verificações de alteração nos campos, impedindo o
usuário de sair do modo edição sem salvar as novas informações e a possibilidade de carregar
para o sistema uma configuração anterior por meio da abertura do arquivo (Fig. 1a). Em
relação ao monitoramento dos processos em execução, a interface gráfica permite visualizar,
por meio de gráficos, as atividades distribuídas em cada UP escrava (Fig. 1b). Contudo, testes
de usabilidade indicaram modificações necessárias para tornar a interface mais simples e
prática. São necessárias ainda alterações referentes a escalas dos eixos, periodicidade em que
os gráficos são atualizados e implementação de novos tipos de gráficos, como o tempo de
cada tarefa executada em um escravo.
(a)
(b)
Figura 1: (a) Editor da configuração dos dados de entrada do computador mestre. (b) Gráfico
referente ao uso de CPU em relação ao tempo em uma Unidade de Processamento escrava.
Conclusões
O trabalho realizado até o momento já permite o uso do ROME de uma maneira mais simples
e robusta, permitindo a usuários sem um conhecimento dos detalhes de sua implementação,
utilizá-lo e executar aplicações distribuídas. Na seqüência deste trabalho está prevista a
liberação de uma versão de interface gráfica que permita acompanhar a execução do
processamento paralelo em tempo real, permitindo a análise em tempo real do comportamento
do cluster a cada iteração.
Agradecimentos
Aos pesquisadores e colaboradores do Laboratório de Engenharia Virtual (LEV/IEAv) pelo
apoio e assistência.
[1] MARINS, C. D., Proposta de um Sistema Robusto para Gerenciamento de
Processamento Distribuído em Ambientes Heterogêneos. Mogi das Cruzes, 2007. 111p.
Monografia (Trabalho de Graduação) - Engenharia da Computação, UBC.
[2] ABE, N. M.; MARINS, C. D, PASSARO, A., Distributed Processing Management using
ROME. In: CONFERENCE ON THE COMPUTATION OF ELECTROMAGNETIC
FIELDS, 17, 2009, Florianópolis. Proceedings, p. 1060-1061.
[3] PASSARO, A. et al., Self-consistent Optimization of Multi-Quantum Well Structures by a
Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Magnetics. Agosto 2010, aceito para publicação.
[4] Qt, disponível em http://qt.nokia.com/. Data de acesso: 07 de maio de 2010.
[5] Eclipse IDE, disponível em http://www.eclipse.org/. Data de acesso: 07 de maio de 2010.
68
ANÁLISE NUMÉRICA DO DISPOSITIVO STRIPLINE1
1
E. Y. S. Lutif1; A. J. F. Orlando1; A. C. C. Migliano2*
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - Departamento de Microondas e Optoeletrônica, São
José dos Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: “Stripline”, ondas eletromagnéticas, método de diferenças finitas no
domínio do tempo.
Introdução
A meta deste trabalho é obter informações relevantes necessária para criar um perfil de filmes
finos, “striplines”, por meio da interpretação de medidas dielétricas em materiais
absorvedores. Este estudo permite a construção de uma linha de transmissão RF/microondas.
Com o avanço da nanotecnologia, surgiram novas técnicas de caracterização eletromagnética
de filmes finos. Os filmes finos desempenham uma função essencial nos dispositivos e
circuitos integrados. Podem ser utilizados como isolantes em conexões de regiões ativas de
um dispositivo de RF, como uma camada de proteção com relação ao meio externo em
dispositivos de RF, etc. O estudo dos parâmetros de espalhamento, S, de uma estrutura do tipo
“stripline” permitiu determinar a sua faixa de aplicação em um porta amostra para ensaios
eletromagnéticos na faixa de RF e microondas. Neste estudo foi empregada uma ferramenta
computacional que utiliza o método de Diferenças Finitas no Domínio do Tempo (FDTD Finite Diference Time Domain) para obtenção dos parâmetros S do circuito de RF, permitindo
estabelecer a faixa de 360 MHz a 10 GHz, para as medidas de permissividade e
permeabilidade complexas. Para este estudo, foram consideradas amostras com baixas perdas
e a parte real da permissividade relativa,  r  10 .
Metodologia
O Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) do IEAv disponibilizou a infraestrutura
necessária para o desenvolvimento deste trabalho, a ferramenta computacional XFDTD [1],
da REMCOM INC. No método de aproximação, FDTD, ambos o espaço e tempo são
divididos dentro de segmentos discretos. Para uma melhor discretização da amostra estudada,
deve-se levar em conta o tamanho das células, para a obtenção de uma melhor resposta.
O FDTD é diretamente derivado da discretização da forma diferencial das equações de
Maxwell [2]. O gráfico da Fig. 1 apresenta os valores dos parâmetros S em decibéis (dB)
como funções da freqüência (GHz). Para calcular a porcentagem de transmissão foi utilizada a
Eq (1).
A(%) = (1-10-dB/10)*100
(1)
Foi observado na Fig. 1 que o casamento de impedância entre 6GHz a 7GHz e 12GHz a 13
GHz, tendo como resultado uma transmissão maior que 99% da onda incidente no porta
amostra.
1
Projeto: Projeto de Estrutura Stripline para Ensaios Eletromagnéticos de Filmes Finos.
69
Figura 1: Coeficiente de reflexão como funções da freqüência para dispositivo “stripline”.
Conclusões
O projeto tem um comportamento ressonante, ou seja, com boa atenuação da onda incidente
em uma faixa estreita de freqüências.
Agradecimentos
Os autores desejam agradecer ao Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos do Instituto de
Estudos Avançados pela infra-estrutura oferecida. Desejam agradecer também ao
Departamento de Microondas do Instituto Tecnológico de Aeronáutica pela realização deste
trabalho e a CAPES pelo apoio financeiro.
Referência Bibliográficas
[1] REMCOM, XFDTD., Reference Manual. Version 6.3. State College: Remcon, 2006.
[2] JACKSON, J. D., Classical Electrodynamics, New York: John Wiley & Sons Inc., 1999.
70
CARACTERIZAÇÃO ELETROMAGNÉTICA DE FERRITAS DE ALTA
MAGNETOSTRICÇÃO DOPADAS COM COBRE
F. F. Araújo1*; V. L. O. Brito2; A. C. C. Migliano2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos - SP
2
Instituto de Estudos Avançados, EFA, São José dos Campos - SP
*[email protected]
1
Palavras-chave:
Sensores
magnetomecânicos;
cerâmicas
magnéticas;
magnetoelásticos; permissividade complexa; permeabilidade magnética complexa.
efeitos
Introdução
Sensores magnetomecânicos são aqueles baseados nas características da magnetostricção do
material transdutor e/ou em efeitos magnetoelásticos nesse material. Os materiais mais
adequados para aplicação nesse tipo de sensor são aqueles capazes de converter energia
elástica em magnética (ou vice-versa) com alta eficiência, de modo a minimizar as perdas de
sinal [1]. As ferritas à base de cobalto são aquelas que apresentam os maiores valores de
magnetostricção, com módulos atingindo valores acima de 200 ppm [2]. Lee et al. [3]
estudaram as características de ferritas de cobalto dopadas com manganês e cromo e
demonstraram que ambos os elementos podem beneficiar a sensibilidade magnetoelástica da
ferrita. As ferritas de níquel dopadas com adições de cobalto apresentam características que
podem ser utilizadas em sensores de campo magnético, pois apresentam alta magnetização de
saturação, reduzindo a histerese magnética em campos magnéticos baixos. A dopagem com
cobre aumenta a densificação de ferritas quando utilizadas temperaturas de sinterização mais
baixas. O objetivo do trabalho é fabricar e caracterizar ferritas com potencial aplicação em
sensores magnetomecânicos de uso no setor aeroespacial, utilizando dopagens com CuO.
Metodologia
Foram medida as massas dos óxidos de forma a obter ferritas com as seguintes
estequiometrias:
Co0,7Mn0,3Fe2O4,
Co0,65Mn0,25Cu0,1Fe2O4,
Co0,1Ni0,9Fe2O4,
Co0,1Cu0,1Ni0,8Fe2O4, Co0,9Cu0,1Fe2O4 e CoFe2O4. Os óxidos são misturados e moídos em um
moinho excêntrico por 30 minutos. Em seguida, o pó resultante da moagem foi présinterizado a 850 °C por 4 horas. Os pós pré-sinterizados foram novamente moídos e
granulados para em seguida serem compactados a 50 MPa e sinterizadas as amostras a 950 °C
durante 6 horas. Foi feita a avaliação microestrutural por difração de raios X, e da densidade
relativa das amostras confeccionadas. Serão também determinadas as temperaturas de Curie
das amostras. As características magnetoelásticas das ferritas serão avaliadas submetendo-as a
tensões mecânicas e medindo-se as variações das propriedades magnéticas. Serão medidas a
permissividade e permeabilidade complexas das amostras cerâmicas na faixa de frequência de
100 Hz até 3 GHz, entre – 40 ºC e 50ºC.
A Figura 1 mostra o difratograma de raios X da amostra Co0,1Cu0,1Ni0,8Fe2O4, sinterizada e
pré-sinterizada, onde podemos observar o conjunto de picos referentes a estrutura espinélio,
as outras amostras apresentaram o mesmo comportamento.
71
Figura 1: Difratograma de raios X da amostra Co0,1Cu0,1Ni0,8Fe2O4.
Conclusão
Os difratogramas de raios X das amostras sinterizadas e pré-sinterizadas apresentaram o
mesmo conjunto de picos referentes a estrutura espinélio. A temperatura de Curie da ferrita de
cobalto deverá diminuir com a substituição do cobalto pelo manganês. Ajustando o nível de
dopagem do manganês na ferrita de cobalto, pode ser possível controlar os parâmetros da
temperatura de Curie e da magnetostricção. Para a análise da densidade relativa, espera-se um
valor mínimo de 90% com o uso de temperaturas de sinterização abaixo de 1000ºC. Espera-se
também definir a influência da adição de cobre na microestrutura das ferritas de cobalto.
Agradecimentos
À FAPESP, à Divisão de Materiais do IAE, às divisões de Fotônica e suporte tecnológico do
IEAv.
[1] DU TRÉMOLET DE LACHEISSERIE, E; GIGNOUX, D.; SCHLENKER, M.
(Editores)., Magnestism Fundamentals. New York: Springer, 2005.
[2] CALTUN, O.; DUMITRU, I.; FEDER, M.; LUPU, N.; CHIRIAC, H., Substituted Cobalt
Ferrites for Sensors Applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, v. 320,
p. 869-873, 2008.
[3] LEE, S. J.; LO, C. C. H.; MATLAGE, P. N.; SONG, S. H.; MELIKHOV, Y.; SNYDER,
J. E.; JILES, D. C., Magnetic and magnetoelastic properties of Cr-substituted cobalt ferrite.
Journal of Applied Physics. v.102, p.073910, 2007.
72
PARÂMETROS DE FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DE
TESLA OPERANDO A AR COMPRIMIDO
G. M. Placco1; L. N. F. Guimarães2*; G. P. Camillo2*
Faculdade de Tecnologia São Francisco - Jacareí – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Energia Nuclear , São José dos Campos – SP
*{guimaraes;giannino}@ieav.cta.br
1
Palavras-chave: Turbina de Tesla, ciclo Brayton, energia nuclear.
Introdução
Este artigo está inserido dentro dos objetivos específicos do projeto TERRA, que visa
construir um ciclo Brayton fechado [1] para aplicações espaciais. O balanço de planta ou ciclo
Brayton está sendo projetado em torno de um micro turbo de nome NOELLE 60290, que é
uma turbina aeronáutica utilizada na forma de uma APU (Auxiliary Power Unit). É
importante observar que as turbinas utilizadas na aplicação espacial são do tipo impulsiva.
Esta observação abre a possibilidade de substituir a turbina aeronáutica por uma turbina de
Tesla, que é unicamente impulsiva. A experiência de trabalhar com a turbina de Tesla [2]
revela também que a mesma é extremamente robusta, condição ideal para operação no espaço
por longos períodos de tempo. Este trabalho apresenta os resultados preliminares de
caracterização de uma destas turbinas. Esta caracterização está sendo feita inicialmente com a
turbina operando de forma aberta. O objetivo do experimento é avaliar a influência da pressão
da linha de ar comprimido de entrada, do número de discos e da defasagem entre os furos dos
discos no funcionamento da turbina de Tesla.
Metodologia
Para isso, a infra-estrutura do laboratório contou com um medidor de vazão, um medidor de
temperatura e um regulador de pressão. Estes equipamentos são necessários para que as
condições de operação em cada teste sejam monitoradas, de modo a minimizar a ação de
oscilações da linha de pressão nos resultados. Ainda assim, para garantir condições ideais em
cada experimento, seria necessário não apenas um medidor de temperatura, mas também um
controle da mesma, além de um sistema de desumidificação do ar, equipamentos cuja
instalação não foi possível até o momento. Dessa forma, umidade e temperatura variáveis
podem ter influenciado nos resultados. Para uma melhor base de dados, foram realizados
experimentos para verificar a influência da pressão da linha com várias configurações de
discos (de 7 a 14 discos) e a influência do número de discos com várias pressões de entrada
(de 100 a 600 kPa). Outro medidor utilizado foi um tacômetro digital a laser que mediu a
rotação do eixo, em intervalos de 0,8 segundos.
Foram feitos testes com diversas configurações do sistema. Notou-se que a velocidade angular
de regime média é bastante próxima (maior diferença em 30%) para quaisquer configurações
do sistema. O erro pode estar relacionado com algumas variáveis na linha de ar comprimido
sobre as quais não foi exercido controle, como temperatura e umidade. Estas variáveis
influenciam diretamente na viscosidade e velocidade de escoamento. A metodologia adotada
para mensurar a potência mecânica do sistema consistiu em ajustar a pressão do fluido de
entrada, calcular o momento de inércia, acionar a válvula do fluido, analisar a rotação e o
73
tempo gasto pelo sistema para atingir a potência máxima. A Fig.1 mostra o gráfico do
rendimento de potência para um sistema de 9 discos com a pressão variável.
Figura 1: Potência em Watts de um sistema de 9 discos.
Foi acoplado ao sistema um alternador de correntes continua de 27 W para altas rotações, que
possibilitaram extrair resultados de potência elétrica fornecida pelo sistema. A Fig. 2 mostra a
comparação entre as potências (mecânica e elétrica) do sistema.
Figura 2: Comparação entre potências.
Observou-se perdas no sistema de conversão de potência devido a pontos de ressonância
mecânica gerada pelo alinhamento do eixo da turbina com o eixo do alternador. Essas perdas
ainda não foram mensuradas.
Conclusões
Foram verificados parâmetros que auxiliam na compreensão do funcionamento de uma
turbina de Tesla. Foram identificadas variáveis que irão auxiliar trabalhos futuros que
estudarão maneiras de otimizar o sistema, bem como acoplar o sistema num ciclo fechado.
Agradecimentos
À FAPESP pela bolsa 2009/10209-9.
[1] CAMILLO, G. P.; GUIMARÃES, L. N. F.; PLACCO, G. M.; BORGES; E. M., 2008, A
Preliminary Design For a Simplified Closed Brayton Cycle Modeling For a Space
Reactor Application, Proceedings of ENCIT 2008, Belo Horizonte, MG, Brasil, 8 p.
[2] TESLA, N., Turbine. United States Patent No. 1061206, 1913
74
RECOBRIMENTO DE SUPERFÍCIES CILINDRICAS COM NEGRO DE
FUMO VIA LASER DE CO2
1
L. Vasconcellos1; D. C. Chagas2; G. Vasconcelos3
Escola Técnica Professor Everaldo Passos - ETEP, São José dos Campos - SP
2
Universidade do Vale do Paraíba - UNIVAP, São José dos Campos - SP
3
Instituto de Estudos Avançados, EFO-L, São José dos Campos - SP
*[email protected]
Palavras Chave: Laser de CO2, negro de fumo, tratamento superfície.
Introdução
Revestimentos cerâmicos ou metálicos podem ser aplicados em superfícies por processos a
laser mediante o aquecimento de um fino pó, previamente aspergido na superfície do
substrato. O feixe de radiação incidente é absorvido por este material particulado e fixa-se a
superfície do substrato. Nesse processo de aquecimento é possível controlar a temperatura
através da variação da intensidade e da velocidade em que o feixe de laser atinge a superfície
a ser tratada. Apresenta como principal vantagem a possibilidade de gerar finas camadas de
revestimento, pequenas distorções na parte devido ao rápido aquecimento e seleção da região
a ser tratada. Embora o revestimento com lasers, tenhas sido amplamente estudado [1-2],
neste trabalho, será feito tratamento de superfícies cilíndricas, considerando-se o diâmetro da
parte, número de pulsos por volta e a resolução que é a sobreposição dos pulsos ou o número
de pulsos por polegada (ppp). O material selecionado foi o Negro de Fumo (NF), por este
apresentar dimensões nano-métricas e assim, não requerer a etapa de moagem.
Metodologia
O experimento foi realizado através das seguintes etapas: preparação da superfície a ser
recoberta mediante usinagem em torno mecânico de um eixo de aço SAE 1020, diâmetro de
36 X 83 mm, lixamento com lixa 400 e limpeza com álcool etílico. Preparação de solução
com NF, álcool etílico e CMC e aplicação sobre o substrato de aço. Em seguida foi feita a
irradiação da superfície recoberta, com o feixe de laser de CO2. Considerou-se os principais
parâmetros:
 Número de rotações por minuto do eixo fixo em um mini-torno e número de pulsos de
laser a cada revolução do eixo para que a sobreposição de um pulso a outro fosse de
50%;
 Velocidade de deslocamento do feixe de laser (avanço), para manter a sobreposição de
50%, distância da parte irradiada até a lente, numero de ciclos de aquecimento e
intensidade do feixe.
O deslocamento da superfície a ser tratada da região focal muda o diâmetro do feixe e como
conseqüência a intensidade em que o feixe irradia a parte. A Tab. 1 apresenta os principais
parâmetros do processo.
Tabela 1: Parâmetros do processo, todos os tratamentos foram realizados com V=50 mm/s;
Resolução= 300 pulsos por polegada (ppp); N° de pulsos por polegada=169, N° de pulsos por
volta=752, RPM=108 e sobreposição de 50%.
75
Amostra Distância do Diâmetro do Intensidade
foco (mm)
feixe (mm)
(kW/cm²)
P01
33 1,02 15,3 P02
28 0,93 18,5 P03
23 0,82 23,7 P04
18 0,70 32 P05
13 0,55 52 A Figura 1 apresenta o eixo fixo à placa do torno mecânico sendo irradiado pelo feixe de
lasers.
Resultados e discussões
A Figura 2 apresenta o eixo de aço após o tratamento com laser, a região tratada, corresponde
à região sem o brilho metálico característico do aço.
Figura 1: Eixo recoberto com NF sendo
irradiado pelo feixe de lasers.
Figura 2: Eixo de aço após tratamento com
laser.
Conclusão
Foi possível obter um revestimento de negro de fumo uniformemente regular sobre a
superfície do aço, variando-se a intensidade do feixe, controlado pela movimentação da
superfície em relação à região focal do feixe.
Agradecimentos
Ao CNPQ pela bolsa PBIC oferecida e ao Grupo DEDALO-IEAv.
[1] Dohotre, N. B., Lasers in Surface Engineering – Surface Engineering Series, Volume 1,
ASM International – The Materials Information Society, 1998.
[2] Informe Setorial Nº09-Complexo Químico, Negro de Fumo, BNDES- Janeiro de 98.
76
SIMULADOR DE ESPECTROS DE EMISSÃO DO RADICAL C2*
M. M. Silva1; A. Passaro2*
2
*
[email protected]
1
Palavras-chave: Espectro de emissão, simulação, multiprocessamento.
Introdução
Um simulador de espectros de emissão é uma ferramenta computacional de auxílio a
pesquisadores da área de combustão e plasma. Além de sua aplicação mais imediata, a
identificação dos elementos (das moléculas) envolvidos no processo, parâmetros importantes
do sistema, como a temperatura, podem ser determinados por meio da comparação entre os
espectros experimentais e os simulado. Em geral, a avaliação da sobreposição dos espectros é
feita visualmente, o que pode acarretar erros na estimativa da temperatura. O trabalho aqui
apresentado dá continuidade a um desenvolvimento iniciado em [1], com a inclusão de
ferramentas capazes de oferecer ao usuário melhores condições para as tomadas de decisões.
Metodologia
O programa foi desenvolvido utilizando o paradigma de orientação a objeto, na linguagem de
programação C++ padrão ANSI. As ferramentas de desenvolvimento rápido adotadas são
livres, de código fonte aberto e multiplataforma já utilizadas no LEV (Eclipse [3] e Qt, versão
4.5 [4], esta última para o desenvolvimento da interface gráfica multiplataforma que permite
trabalhar naturalmente com a biblioteca OpenGL e com os principais sistemas operacionais
disponíveis atualmente no mercado.
O programa desenvolvido, além de ser multiplataforma, inclui diversas ferramentas novas,
tanto para a análise quanto para a geração dos resultados. Dentre estas ferramentas foi
desenvolvida uma interface cuja função é oferecer ao usuário a opção do emparelhamento dos
espectros visto que, por razões de erros ou incertezas no processo de aquisição de dados, a
posição relativa dos picos experimentais e de simulação (comprimentos de onda) dificilmente
coincidem [2]. Após vários estudos sobre o comportamento dos valores dos espectros
simulado e experimental verificou-se que o emparelhamento dos picos pode ser feito por meio
de uma correção linear, e que esta independe da temperatura e da resolução da simulação [2],
o que abriu a possibilidade da automatização da busca por uma configuração de dados iniciais
para a síntese de um espectro que representasse melhor o espectro experimental. O programa
pode ser utilizado para a síntese e análise manual do espectro, fornecendo um conjunto de
gráficos que incluem não somente o espectro simulado, mas também o espectro experimental,
espectro de força de linhas, e ferramentas para filtragem de ramos e bandas. A qualidade da
simulação com respeito ao espectro experimental é avaliada por meio do parâmetro chiquadrado ( 2r). fornecendo ao usuário um critério objetivo quanto à escolha dos valores de
entrada do programa, temperatura e resolução espectral, que melhor reproduzam o espectro
experimental. O programa também pode ser utilizado no modo automático. Neste caso,
utiliza-se um método de força bruta para calcular o valor de  2 para diferentes valores do par
(temperatura, resolução). A otimização da rotina de síntese de espectro do programa permitiu
reduzir drasticamente o tempo gasto para a obtenção do  2 [2], sendo que esta redução, em
77
alguns casos, foi de até três ordens de grandeza. Neste modo, o programa conta com uma
rotina de calculo que explora a capacidade de multiprocessamento dos modernos
processadores por meio de threads. O número de unidades de processamento presentes no
processador é obtido automaticamente. Na Fig. 1 é apresentado o gráfico exibido logo após a
simulação, onde o menor valor de  2r indica a temperatura e a resolução mais adequada para
a síntese de um espectro para uma análise mais apurada, ou pode-se carregar novamente estes
valores de temperatura e resolução para se fazer uma varredura mais específica.
Figura 1: Valores de chi-quadrado de 256 simulações, realizadas em aproximadamente 7
segundos em um processador Core 2 Duo 2.8 GHz em Sistema Operacional Windows.
Conclusões
O programa vem sendo desenvolvido há aproximadamente um ano e neste período passou por
vários testes que comprovaram a sua robustez quanto a verificação de erros cometidos por
parte do usuário. O método de força bruta empregado neste trabalho reduziu o trabalho de
horas (às vezes dias) para obtenção da temperatura rotacional do espectro de emissão e a
resolução total a alguns poucos segundos. Quanto à parte gráfica, esta passou por outra
reformulação e agora apresenta gráficos com curvas e pontos mais suaves e de melhor
visualização com opções de aumento e diminuição de fontes e rótulos.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa de iniciação científica (PIBIC/IEAv), e aos pesquisadores do Laboratório
de Engenharia Virtual (LEV/IEAv) por toda a colaboração na execução deste trabalho.
Referências
[1] GONÇALVES, E. A., Simulação de Espectros do Radical C2* para Estudos de
Combustão, São José dos Campos, 2009. 127p. Monografia (Dissertação de Mestrado) INPE.
[2] CARINHANA, D.; et. al., Desenvolvimento de um programa para aplicações
espectroscópicas: o caso do radical C2. Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento, Instituto
de Estudos Avançados, IEAv, v. 3, p. 160. 2010.
[3] Disponível em http://www.eclipse.org/. Data de acesso: 07 de maio de 2010.
[4] Disponível em http://qt.nokia.com/. Data de acesso: 07 de maio de 2010.
78
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS
DE FERRITAS NiZn
S. A. Cunha1; V. L. O. Brito2; A. C. C. Migliano2
Universidade Braz Cubas – Engenharia Ambiental, Mogi das Cruzes – SP
2
{scunha, vlobrito, migliano}@ieav.cta.br
1
Palavras-chave: Cerâmicas magnéticas, ferritas, permeabilidade magnética, sensores.
Introdução
Ferritas são materiais cerâmicos importantes do ponto de vista de aplicações, onde podem ser
utilizadas em dispositivos como núcleos de indutores, transformadores, sensores,
absorvedores de ondas eletromagnéticas, etc. Ferritas NiZn, em particular, são atrativas
devido a facilidade de preparação e aplicações como dispositivos microeletrônicos, de
microondas e sensores de corrente, campo magnético, tensões mecânicas e gases. Muitas de
suas propriedades são altamente sensíveis ao método de preparação, às condições de
sinterização e à quantidade de óxidos metálicos constituintes, incluindo impurezas ou
dopantes. Nesse sentido, a literatura apresenta várias pesquisas que visam aumentar a
permeabilidade magnética das ferritas nas altas frequências, com alternativas relacionadas aos
parâmetros de sinterização e ao uso de aditivos [1]. Poucos trabalhos são encontrados com
dados de propriedades eletromagnéticas de ferritas NiyZnxMeDFe2O4 com dopagens de metais
(Me) em frações (D) menores que 0,05 (para x+y+D=1). Com isso, os objetivos deste trabalho
foram: fabricar ferritas do tipo Ni0,29Zn0,69Me0,02Fe2O4 com Me=Co, Mg ou Cu e estudar a
influência desses aditivos nas propriedades eletromagnéticas deste tipo de ferrita Ni-Zn.
Metodologia
As atividades experimentais descritas a seguir foram desenvolvidas utilizando-se as infraestruturas do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos (LSE) e do Laboratório de Materiais
Eletromagnéticos (LME) da EFA-IEAv:
A. Processamento da matéria-prima: Compreendeu as fases de: formulação, mistura da
matéria prima, secagem da mistura, homogeneização do pó já seco, pré-sinterização da
mistura (com patamar de 900 °C por 2 horas) e homogeneização dos pós pré-sinterizados (em
moinho excêntrico).
B. Conformação das Amostras: Compreendeu as atividades de compactação, sinterização
(com patamar de 1200 oC por 4h) e ajuste das dimensões das amostras.
C. Caracterização eletromagnética: Foi realizada, na faixa de frequência de 100 kHz a 100
MHz, pelo método de impedância em uma porta utilizando-se um analisador de impedância
modelo 4194A, da Agilent. Para a faixa de frequência de 100 MHz a 1 GHz, as medidas
foram realizadas pelo método da transmissão/reflexão utilizando-se um analisador de redes
modelo 8722 da Agilent.
D. Análise química: Foi realizada na AMR-IAE, por meio do método de espectrometria de
absorção atômica, para determinar o nível de contaminação causada pelos meios de moagem.
A análise química das ferritas mostrou contaminação de cerca de 2% em massa de alumínio
em todas as amostras, proveniente das esferas de moagem que são feitas de alumina. A
contaminação foi provavelmente um dos principais responsáveis pela diminuição dos valores
79
do patamar de permeabilidade relativa complexa, comparando-se aos dados obtidos em
trabalhos anteriores [2]. As Fig 1 e 2 apresentam os resultados da parte real da permeabilidade
relativa complexa (μr’), onde se verifica que, em comparação com as curvas obtidas em [2], as
ferritas dopadas tiveram os valores de permeabilidade dobrados em freqüências entre 20 e 30
MHz, fato que melhora o desempenho em aplicações nessas frequências. Com as figuras 3 e 4
pode-se concluir que, para altas frequências, as adições tiveram pouca influência tanto na
permeabilidade como na permissividade do material.
Figura 1: μr’ das ferritas Ni-Zn dopadas,
na frequência de 100 kHz a 100 MHz.
Figura 3: μr’ das ferritas Ni-Zn dopadas
na freqüência de 50MHz a 1GHz.
Figura 2: μr’ de ferritas Ni-Zn
obtida em trabalhos anteriores.
Figura 4: εr’ das ferritas Ni-Zn
dopadas.
Conclusões
As adições de Co, Cu e Mg tiveram pouca influência na permissividade da ferrita. No que diz
respeito à permeabilidade magnética, as adições Mg diminuíram os valores de µr’, estendendo
o patamar de alta permeabilidade até frequências próximas de 30 MHz. As dopagens e o
alumínio inserido pelos meios de moagem, associados ao método de processamento utilizado,
dobrou os valores de µr’ entre 20 e 30 MHz em comparação a resultados anteriores.
Agradecimentos
Ao CNPq (bolsa PIBIC/IEAv), à UBC, à EST/IEAv e ao LPMD/CMA/IFI.
[1] V. L. O. Brito, Ferritas Ni-Zn: breve revisão sobre o processo convencional de
fabricação e as propriedades permeabilidade magnética e constante dielétrica, Cerâmica.
v. 52, n. 324, p.221-231, 2006.
[2] BRITO, V. L. O. Seleção, elaboração e caracterização de ferritas Ni-Zn para
aplicação em monitores de corrente pulsada. São José dos Campos: Instituto Tecnológico
de Aeronáutica, tese de doutorado, 2007.
80
ESTUDO DE DANOS DE RADIAÇÃO EM CIRCUITOS
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (AmpOp)
S. F. L. Nogueira1*; L .H. Claro2
Faculdade de Tecnologia São Francisco – Eng. Controle e Automação, Jacareí – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Energia Nuclear, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Radiação gama; componentes eletrônicos; radiação no espaço.
Introdução
Os efeitos da radiação cósmica [1] em componentes eletrônicos e optoeletrônicos empregados
em controle e monitoração de satélites, espaçonaves e aviões têm sido estudados há vários
anos devidos sua importância na confiabilidade destes equipamentos. Os efeitos que a
radiação ionizante pode provocar em um componente eletrônico poderá provocar danos
temporários (que permitem a sua recuperação) ou, danos totais, tornando-os inoperantes. A
aplicabilidade destes estudos abrange outras áreas, além da aeroespacial tais como reatores
nucleares, laboratórios científicos de radiações, diagnósticos médicos nucleares, etc.. As
justificativas para a utilização de componentes comerciais em circuitos a serem aplicados em
ambientes com radiação baseiam-se no seu baixo custo de comercialização, facilidade de
obtenção no mercado e principalmente, por não ser considerado como material estratégico. O
objetivo deste trabalho é verificar o comportamento de parâmetros de circuitos eletrônicos
contendo Amplificadores Operacionais [2], que não possuem garantia do fabricante quanto à
sua tolerância à radiação.
Metodologia
Para a realização desse projeto houve a necessidade de se montar duas placas de circuito
impresso para teste. A primeira placa, mostrada no lado esquerdo da Fig. 1, é utilizada para as
medições de ganho de tensão diferencial e “slewrate”. Esta placa fica submetida
constantemente à radiação gama. A segunda placa é utilizada para a medição [3] dos outros
parâmetros: “bias” de corrente de entrada, “offset” de corrente de entrada, “offset” de tensão
de entrada, rejeição de modo comum “CMRR”. Nesta, os amplificadores irradiados são
conectados nos intervalos de parada entre as irradiações. A placa é apresentada no lado direito
da Fig. 1.
Figura 1: Esquerda: Placa para medição de Ganho e “SLEW RATE”. Direita: Placa para
medição de “Input Offset Voltage”, “Input Offset Current” e “CMRR”.
Para monitorar o sistema de aquisição de dados, em tempo real, foi utilizada uma placa de
aquisição acoplada a um microcomputador. O software LABView [4] foi utilizado no
81
desenvolvimento de dois VI’s (Instrumento Virtual), específicos para cada etapa das
irradiações.
Neste momento, o projeto encontra-se em fase inicial de irradiação das placas contendo os
amplificadores operacionais. Conforme descrito na literatura, as degradações nos
componentes são observadas ao se atingir doses acima de 100 kRad. Ainda não foi possível
observá-los devido ao uso de uma fonte de baixa intensidade, exigindo longo tempo de
irradiação. Na tabela abaixo são apresentados os resultados iniciais, comparados com os
previstos pelos fabricantes (data sheet).
Tabela 1: Parâmetros comparados com os previstos pelos fabricantes.
Componente
CMRR(dB)
Input offset voltage
(mV)
Input offset current
(nA)
Input bias current (nA)
Slew rate V/µ s
LM741
60
LM741DataSheet
70---90
CA3130
59
CA3130DataSheet
70---90
4
1---7.5
0.4
5---15
45
129
0.1
20---200 nA
80---500
0.5 V/micro s
0.6
6
0.1
0.5---20 pA
80---500
7--9 V/micro s
Até o presente momento, os resultados obtidos demonstram que as montagens dos circuitos a
serem irradiados se encontram na faixa prevista pelos fabricantes. Os resultados, após aas
irradiações, serão apresentados futuramente.
Conclusões
Com relação aos resultados técnicos esperados, ainda não foi possível avaliar
quantitativamente os danos provocados pela radiação aos AmpOps escolhidos neste trabalho.
Apenas os valores dos parâmetros, antes das irradiações, encontram-se na faixa prevista. Os
dados com as irradiações estão sendo obtidos e serão apresentados oportunamente.
Agradecimentos
Agradeço ao CNPq pela concessão da bolsa de iniciação cientifica, ao IEAv pela
oportunidade de aprendizado, ao LRI pela disponibilidade de irradiação do experimento e em
especial aos colegas Jose Antonio dos Santos e Jonas Rubini Junior pelo apoio técnico ao
assunto.
[1] HOLMES-SIEDLE, A., ADAMS, L., Handbook of Radiation Effects, 2nd Ed., Oxford
University Press, Oxford USA, 2002.
[2] MANCINI, R., Op Amps for Everyone, SLOD006B, Texas Instruments, Texas, 2002.
[3]
Universidade
de
Évora,
Eletronic
I;
disponível
em:
http://home.uevora.pt/~fmtj/Eo1/P6.pdf, ultimo acesso em 18/12/2010.
[4] LabViEW, Data Acquisition Basics Manual, National Instruments, 1998.
82
SOFTWARE MULTIPLATAFORMA PARA SIMULAÇÃO DE
NANOESTRUTURAS SEMICONDUTORAS A POÇOS QUÂNTICOS1
W. P. Gonçalves1; R. Y. Tanaka2; A. Passaro2*
2
*
[email protected]
1
Palavras-chave: Nanoestruturas semicondutoras; poços quânticos; quantum well software.
Introdução
Quando dois materiais semicondutores são crescidos um sobre o outro diz-se que eles formam
uma heterojunção e a descontinuidade, tanto da banda de valência, quanto da banda de
condução, pode ser representada por um termo de potencial constante, como mostrado na Fig.
1 (a). Nessa figura, a direção de crescimento é a direção z e a diferença do valor de potencial
corresponde ao ponto de junção do crescimento de dois materiais distintos. Se uma fina
camada de um material ‘A’, com largura de banda proibida, EgA, é crescida no meio de outro
material ‘B’ com largura de banda proibida, EgB, como mostra a Fig. 1 (b e c) e, se a camada
‘A’ é fina o suficiente para que as propriedades quânticas tornem-se evidentes, ou seja, da
ordem do comprimento de onda de Broglie dos portadores (geralmente elétrons e lacunas),
então esse alinhamento de banda é chamado de poço quântico simples [1]. Um conjunto de
vários poços crescidos em seqüência forma uma estrutura de múltiplos poços quânticos,
MQW. Há a possibilidade de se dopar essas estruturas, ou seja, acrescentar elétrons causando
uma alteração no perfil da energia potencial. Nesses casos, o comportamento dessas estruturas
é descrito pela resolução de um par de equações diferenciais parciais acopladas em um
esquema denominado autoconsistente, levando em consideração as propriedades físicas dos
diferentes materiais que compõem a estrutura. Neste trabalho são apresentadas as
características básicas da versão multiplataforma do programa Quantum Well Software
(QWS), cujo objetivo é auxiliar pesquisadores na análise do comportamento de estruturas
semicondutoras nanoestruturadas de MQW. Sensores de infravermelho a poços quânticos e
lasers de cascata são alguns exemplos de estruturas que podem ser estudadas por este
programa.
Metodologia
Este projeto foi desenvolvido na linguagem orientada a objetos C++. Tanto a ferramenta de
desenvolvimento rápido como o compilador utilizados são multiplataforma e de código fonte
aberto, permitindo a realização de testes nos sistema operacionais Windows e Linux. Para o
desenvolvimento da interface gráfica utilizou-se a biblioteca gráfica Qt em sua versão 4.5
(versão livre) e a biblioteca OpenGL.
A interface gráfica de entrada do QWS foi concebida para proporcionar ao usuário final, um
especialista na área, uma compreensão intuitiva do procedimento de especificação da
estrutura. A Fig. 2 mostra as janelas mais importantes do software.
1
Projeto: Desenvolvimento de software para auxílio ao projeto e à análise de dispositivos semicondutores
nanoestruturados – FAPESP nº 2007/08580-5
83
Figura 1: (a) Potencial unidimensional V(z) da heterojunção. (b) Heteroestrutura formada
com os materiais semicondutores A e B. (c) representação da banda eletrônica da
heteroestrutura ao longo do eixo z.
Figura 2: (a) Janela principal. (b) Funções de onda e potencial. (c) Distribuição de cargas
positivas e negativas. (d) Amortecimento e precisão. (e) Tabela com tensões do oscilador.
Na janela principal o usuário pode configurar a estrutura especificando a seqüência de
camadas com suas respectivas propriedades (tipo, materiais, dimensões e dopagem), a
temperatura de operação e parâmetros relacionados com os métodos numéricos utilizados,
Fig. 2 (a). Após a criação de uma estrutura, o usuário dá inicio ao processo de resolução que
exibirá gráficos com os resultados em tempo de execução. As Fig. 2 (b) e (c) mostram a
energia potencial e as funções de onda calculadas e a distribuição de cargas positivas (pontos
cinza) e negativas (pontos pretos), respectivamente. A Fig. 2 (d) ilustra o processo de
convergência: a precisão (mais clara - descendente) e um parâmetro utilizado para estabilizar
a solução (mais escuro - ascendente) em função da iteração. A tabela da Fig. 2 (e) contém os
valores de força de oscilador. A força de oscilador está relacionada com a probabilidade de
transferência de elétrons de uma subbanda para outra.
Conclusão
A versão atual do QWS está auxiliando os pesquisadores do Laboratório de Engenharia
Virtual (LEV/IEAv) no projeto e análise de dispositivos nanoestruturados baseados em poços
quânticos e deverá ser utilizado no âmbito do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de
Nanodispositivos Semicondutores (DISSE) do CNPq.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa PIBIC, e aos pesquisadores do LEV/IEAv deste trabalho.
[1] TANAKA, R. Y., Desenvolvimento de software para auxílio ao projeto e à análise de
dispositivos semicondutores nanoestruturados, 2008, Monografia (Mestrado em
Computação Aplicada) - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
84
UMA INTERFACE GRÁFICA PARA ANÁLISE DE SIMULAÇÕES DE
PLASMAS UNIDIMENSIONAIS
W. C. Prudencio1*; C. Maciel2; A. Passaro2
2
*
[email protected]
1
Palavras-chave: plasma, simulação, interface gráfica, multiplataforma.
Introdução
Plasmas podem ser simulados a partir de modelos de fluidos, modelos de partículas e modelos
híbridos. O modelo de partículas denominado PIC - Particle in Cell - tem sido alvo de
desenvolvimentos de software no Laboratório de Engenharia Virtual do IEAv [1-3]. No
simulador de plasma desenvolvido em [1], a entrada de dados era feita por meio de arquivos e
a análise utilizava softwares de terceiros para montagem de gráficos a partir de arquivos
gravados durante a simulação. A falta de interfaces gráficas no simulador trazia dificuldades
na análise dos resultados. A entrada de dados por meio de arquivos de texto é susceptível a
erros de digitação ou até mesmo troca de valores nos campos, que podem ser de difícil
identificação. Este trabalho visou aperfeiçoar o simulador de plasma, implementando
interfaces gráficas multiplataforma para a entrada e saída de dados, tendo a capacidade de
gerar gráficos 2D para exploração de resultados.
Metodologia
Todo o projeto foi desenvolvido em linguagem C++, usando-se o paradigma de orientação a
objeto. Para o desenho das interfaces gráficas foi usada a biblioteca Qt, versão 4.5 e para a
geração dos gráficos foi usado o Pacote Gráfico 2D, também desenvolvido no LEV. Todas as
ferramentas utilizadas, tais como compilador, bibliotecas e ambiente de desenvolvimento, são
multiplataforma.
Durante a execução do projeto, foram projetadas e desenvolvidas interfaces gráficas
multiplataforma para entrada e saída de dados e acompanhamento da execução do simulador
de plasma. A interface gráfica de entrada de dados, mostrada na Fig. 1a, é capaz de calcular
consistentemente parâmetros do plasma como frequência plasma-elétron, comprimento de
Debye e de sugerir outros dados para o usuário como Quantidade de Elementos Finitos e
Intervalo de Tempo da Simulação, este último respeitando a condição de Courant [4],
prevenindo a entrada de dados inconsistentes e assegurando uma simulação bem sucedida. Há
também uma interface para a inclusão e edição de espécies de partículas, figura 1b, que conta
com cálculo automático de campos e autoconsistência. Quanto à análise dos resultados
gerados, Fig. 2a, o software permite ao usuário o acompanhamento da simulação em tempo de
execução através de gráficos, que podem ser atualizados automaticamente a cada iteração. O
usuário é também informado a respeito do progresso da simulação, do tempo decorrido e do
tempo restante estimado. Para poder atualizar a interface gráfica de acompanhamento da
simulação em tempo de execução enquanto se realiza a simulação, o software faz uso de
threads, explorando a característica multinúcleo dos atuas processadores. Outra interface mais
simples também foi desenvolvida para a análise e exploração dos resultados para análise póssimulação, Fig. 2b, utilizando os arquivos de resultados gerados pelo simulador. As grandezas
85
apresentadas são escolhidas com base no título das colunas dos arquivos de saída,
minimizando a chance de escolha incorreta de dados.
(a)
(b)
Figura 1: Interface de entrada de dados para o simulador de plasma(a). Interface para edição
de espécies de partículas (b).
(a)
(b)
Figura 2: Interface para acompanhamento e análise em tempo de simulação(a). Interface para
análise de resultados pós-simulação (b).
Conclusões
As interfaces diminuiram o tempo necessário para entrada de dados e facilitaram a sua
inspeção. A possibilidade de acompanhar a simulação em tempo de execução trouxe muitos
benefícios, permitindo uma análise rápida dos resultados obtidos. A interface de análise de
dados pós-simulação substituiu os programas de terceiros usados para exploração de
resultados e montagem e dos gráficos. O software vem sendo utilizado por pesquisadores e
alunos do LEV, e se tornou uma importante ferramenta de auxílio à simulação de plasmas.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa de iniciação científica (PIBIC), e aos pesquisadores do Laboratório de
Engenharia Virtual (LEV/IEAv) que muito colaboraram na execução deste trabalho.
[1] MACIEL, C.; et. al. Plasma Simulation Using Electromagnetic PIC-FEM Codes. In: 9th
BRAZILIAN MEETING ON PLASMA PHYSICS, 2007, São Pedro. Resumos..., p.15, 2007.
[2] PAES, A. C. J.; et. al. Simulation of Plasmas with Electrostatic PIC Models Using the
Finite Element Method. Brazilian Journal of Physics, v. 33, n. 2, p. 411-417, 2003.
[3] MARQUES, G. N.; et. al. Uma abordagem meshfree para simulação de plasmas nãocolisionais. In: XXVIII CONGRESSO IBERO LATINO-AMERICANO SOBRE MÉTODOS
COMPUTACIONAIS EM ENGENHARIA, 2007, Porto. Proceedings… cd-rom, 2007.
[4] CHUNG T. J. Computational Fluid Dynamics. 1.ed. New York: Cambridge University
Press, 2006, p368.
86
ENDURECIMENTO SUPERFICIAL DE UM AÇO FERRAMENTA
PARA TRABALHO A FRIO VC131
1
F. A. Goia1; M. S. F. Lima2*
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: Têmpera superficial, têmpera a laser, endurecimento de aço, processamento
laser.
Introdução
Tratamentos de superfícies a laser representam um dos mais avançados e versáteis processos
para reforçar materiais de aplicações. Têmpera a laser é uma técnica para gerar uma camada
dura e resistente na microestrutura superficial dos metais devido aos ciclos de rápido
aquecimento e resfriamento imposto pelo feixe laser. O tratamento laser produziu duas
regiões diferentes: fundida e termicamente afetada. A região próxima à superfície foi fundida
e é composta por dendritas de austenita primária, eutético, carbonetos e apresenta dureza entre
400 e 500 HV. A região chamada de zona termicamente afetada é composta por martensita,
austenita retida, carbonetos primários e secundários e tem dureza de até 800 HV. A
profundidade de dureza alcançada nas amostras tratadas a laser foi entre 1 e 2 mm.
Metodologia
O aço utilizado nesse trabalho é um VC 131 produzido pela Villares Metals Co. [1], sua
composição química é dada na Tab. 1.
Tabela 1: Composição química VC 131 (balanço = Fe).
C
Cr
W
V
2,10
11,5
0,70
0,15
O material é fornecido na condição de recozido com dureza média de 240 HV, e sua
microestrutura como fornecido é composta por ferrita, carbonetos (principalmente Cr7C3),
perlita e bainita. Para cada experimento uma fatia de 13 mm de espessura de uma barra de 70
mm de diâmetro foi usinada e lixada com lixa SiC 600. Para a realização do presente trabalho
foi utilizado um laser a fibra dopado com itérbio. A fibra dopada é conectada a uma fibra de
processo com 100 m de diâmetro e 10 m de comprimento, em seguida, é conectado a um
cabeçote de processamento. A distância focal utilizada foi de 157 mm com um diâmetro
mínimo de 100 m, mas o atual raio depende da posição da superfície da amostra em relação
ao plano focal. Para proteger a superfície da amostra contra oxidação, foi utilizado argônio
com vazão de 30 l/min. Os movimentos dos testes foram realizados por uma mesa CNC, para
processar uma superfície completa, o feixe laser se moveu em um zigue-zague quadrado com
sobreposição parcial entre as linhas. A absortividade do feixe laser durante o processamento
foi medida como proposto por Lima [2] usando calorimetria, sendo de aproximadamente
37%. Análises microestruturais foram feitas através de microscopia óptica (MO), microscopia
eletrônica de varredura (MEV), testes de dureza (HV) e difração de raio-x (DRX).
87
Para a realização do tratamento de superfície completa, foram feitos testes pontuais e em
linhas com a finalidade de escolha dos melhores parâmetros de teste. O tratamento das
superfícies foram realizados utilizando diferentes sobreposições de linha laser já verificadas
na literatura [3]. Os parâmetros utilizados foram: distância focal 40 mm, potência laser 500 W
e velocidade de varredura 6,5 mm/s. A microestrutura resultante é apresentada na Figura. 1 .
A região branca representa a camada fundida e é composta por dendritas primárias de
austenita, eutético e carbonetos do tipo Cr7C3. A zona termicamente afetada foi observada
como a região escura logo abaixo da camada refundida.
Figura 1: Micrografias do corte transversal de superfícies depois do tratamento laser com 50,
80 e 30% de sobreposição respectivamente.
A sobreposição influenciou na profundidade e na dureza média devido à contribuição da
somatória das linhas de varredura. A dureza média da zona fundida diminuiu devido ao efeito
de têmpera que diminuiu a quantidade de martensita. Por outro lado, a ZTA é menos afetada
pelo aquecimento consecutivo e apresenta um valor de dureza elevado. As amostras foram
analisadas por DRX e a relação ente os picos de martensita e austenita eram os mesmos em
todas as amostras, podendo ser concluído que a porcentagem de austenita e martensita é a
mesma independente da sobreposição.
Conclusões
Os parâmetros laser e as sobreposições de linhas laser produzem diferentes resultados em
termos de profundidade de penetração e dureza para o aço VC 131. Com a presente
configuração do laser, o endurecimento é obtido apenas com alguma fusão na superfície. Essa
fusão superficial ajuda a aumentar a absortividade laser na superfície.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP) pelo financiamento do
laser, à empresa Mahle-Metal Leve Co. pelo apoio técnico e também à EEL/USP pela ajuda
em difratometria de raios-X.
[1] Villares Metals. Aços para trabalho a frio VC131. Folheto informativo, 2p. 2006.
[2] LIMA, M.S.F. Uma contribuição ao estudo da microestrutura dos ferros fundidos
refundidos superficialmente por laser. Thesis (PhD). Escola Politécnica da Universidade de
São Paulo, 1997, 167p.
[3] Lima, M.S.F.; Goia, F.A.; Riva, R. Laser surface remelting and hardening of an
automotive shaft using a high-power fiber laser. Materials Research, v.10, n.4, p.461-467,
2007.
88
AVALIAÇÃO DA INFLUÊNCIA DO TAMANHO DE GRÃO NA
FACILIDADE DE IDENTIFICAÇÃO DE BANDAS EM ESPECTROS
RAMAN DE DENTES BOVINOS
S. M. Rovetta1,2*; W. Miyakawa 2
Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: Matriz cerâmica, espectroscopia Raman.
Introdução
O dente é um material cerâmico que também contém, em sua composição, uma matriz
orgânica [1], e que pode ser caracterizado por espectroscopia Raman. Esta técnica vem sendo
amplamente utilizada por ser não destrutiva, rápida, de custo relativamente baixo e por
apresentar facilidade de interpretação dos dados, a partir da posição e largura das bandas.
Além da identificação de componentes químicos, a espectroscopia Raman também é utilizada
na avaliação de pureza de aços aeronáuticos [2] e ligas de titânio, de ligas adesivas no
alumínio [3], e de revestimento com nanocompósitos para aços aeronáuticos [4]. Outra
interessante aplicação na área aeroespacial envolve a caracterização de meteoritos [5]. Na
caracterização de tecidos dentais duros por espectroscopia Raman, ocorre uma peculiaridade,
proveniente da natureza biológica do material: é a sobreposição da banda de carbonato (pico
em 1070 cm-1) da matriz orgânica, com a banda do modo vibracional 3 (pico em1046 cm-1)
do fosfato de cálcio (PO43-), que dificulta sua identificação. Em nosso trabalho anterior [6],
verificou-se que a forma da amostra (pó) facilita a identificação dessa banda. O objetivo deste
trabalho foi então avaliar a influência da granulometria na qualidade dos espectros Raman de
esmalte e dentina em pó.
Metodologia
As amostras foram preparadas a partir de dentes bovinos recentemente extraídos e
conservados em solução fisiológica de NaCl a 0,9%. Foram feitos cortes vestíbulo-lingual na
direção sagital, em lâminas de aproximadamente 0,70 mm de espessura, utilizando uma
máquina de corte de baixa rotação (ISOMET 1000, Buehler Ltd., IL, USA) com disco
adiamantado de 10 cm de diâmetro e 0,3 mm de espessura (ISOMET 11-1180, Buehler Ltd.,
IL, USA). Com o auxílio de um alicate, separou-se o esmalte da dentina. Os tecidos foram
então moídos separadamente com o auxílio de um almofariz e pistilo. Os pós obtidos
passaram por uma série de peneiras, resultando em quatro grupos (grupo 1: grãos entre 177
m e 105 m; grupo 2: 105 m e 74 m; grupo 3: 74 m e 62 m; grupo 4: 62m e 44m).
Os pós de cada grupo foram analisados em um espectrômetro FT-Raman (RFS 100, Bruker),
do LEVB-UNIVAP, com os seguintes parâmetros: 100 mW de potência do laser de excitação
(Nd:YAG, 1,06m), 100 varreduras por ponto, resolução espectral de 4 cm-1, em cinco pontos
por amostra. Os espectros médios de cada grupo foram comparados com os espectros de
dentina e esmalte em bloco do trabalho anterior [6].
Para o esmalte (Fig. 1 a), todos os grupos apresentaram maior facilidade de visualizar a banda
33 do PO4 , com destaque para os grupos 1 e 2. Estes dois grupos também foram os que
89
apresentaram as melhores relações sinal-ruído. Para a dentina ((a)
(b)
Figurag. 1 b), nem todos os grupos apresentaram a mesma facilidade de identificação da
banda 3 do PO43, provavelmente, devido à maior quantidade de matriz orgânica, que resultou
em uma pior relação sinal-ruído. Mesmo assim, quando comparado com a amostra em bloco,
o espectro do grupo 2 também evidenciou a banda do fosfato, facilitando assim sua
identificação.
intensidade ( u. a. )
0,3
70
10
1
2
3
4
bloco
0,2
0,1
grupo 1
grupo 2
grupo 3
grupo 4
46
2,8
10
10
46
10
grupo
grupo
grupo
grupo
intensidade ( u. a. )
70
3,5
0,4
2,1
bloco
1,4
0,7
0,0
0,0
0
1000
2000
3000
-1
deslocam ento Ram an (cm )
4000
0
1000
2000
3000
4000
-1
deslocamento Raman (cm )
(a)
(b)
Figura 1: (a) Espectro comparativo de amostras de esmalte bovino em pó de diferentes
granulometrias e esmalte bovino em bloco e (b) Espectro comparativo de amostras de
dentinas bovinas em pó de diferentes granulometrias e dentina bovina em bloco.
Conclusões
O tamanho de grão tem influência na facilidade de identificação da banda 3 do PO43 e os
resultados obtidos sugerem que, tanto para o esmalte quanto para a dentina, grãos entre 105
m e 74 m foram os que apresentaram melhor visualização da banda de interesse e melhor
relação sinal-ruído.
Agradecimentos
Ao LEVB-UNIVAP, por disponibilizar o espectrômetro Raman e ao CNPq e PIBIC-IEAv.
[1] TORNECK, C. D., Dentin-pulp complex. In TEN CATE, A. R. (Ed.), Oral Histology:
Development, Structure, and Function. 4th ed., Mosby-Year Book, Inc., St. Louis. Missouri,
1994, p. 169-217.
[2] BIH, H., BIH, L., MANOUN, B., AZROUR, M., BENMOKHTAR, S., LAZOR, P., X-ray
diffraction and vibrational Raman spectra of the Li2_xNaxCo2(MoO4)3 (0 6 x 6 1.4) solid
solution with a lyonsite structure. Journal of Molecular Structure, v.965, p. 7–13, 2010.
[3] DAVIES, P., SOHIER, L., COGNARD, J. Y., BOURMAUD, A., CHOQUEUSE, D.,
RINNERT, E., CRÉAC´HCADEC, R., Influence of adhesive bond line thickness on joint
strength. International Journal of Adhesion & Adhesives, v.29, p. 724-736, 2009.
[4] Aouadi, S. M., Paudel, Y., Luster, b., Stadler, s., Kohli, p., Muratore, c., Hager, c.,
Voevodin, a. a., Adaptive Mo2N/MoS2/Ag Tribological Nanocomposite Coatings for
Aerospace Applications. Tribol. Lett. v 29, p. 95–103, 2008.
[5] FERROIR, T., DUBROVINSKY, L., EL GORESY, A., SIMIONOVICI, A.,
NAKAMURA, T., GILLET, P., Carbon polymorphism in shocked meteorites: Evidence for
new natural ultrahard phases. Earth and Planetary Science Letters, v. 290, p. 150–154. 2010.
[6] ROVETTA, S. M., Estudo comparativo de espectros Raman de dentes bovinos, obtidos a
partir de amostras em blocos e em pó, Relatório Final de Projeto de Iniciação Científica
PIBIC/CNPq/UNIVAP, 2008.
90
DEFINIÇÃO DE REGIÕES IONOSFÉRICAS UTILIZANDO RELAÇÃO
NEBULOSA
V. G. Pillat1,3*; L. N. F. Guimarães2,3
Grupo de Física e Astronomia, UNIVAP, São José dos Campos, SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Energia Nuclear, São José dos Campos, SP
3
Computação Aplicada, INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, SJCampos, SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Lógica nebulosa, relação nebulosa, ionosfera, ionograma.
Introdução
A ionosfera é a porção ionizada da atmosfera terrestre e o seu estudo é muito importante
devido à sua influência na transmissão de sinais de satélite. A ionossonda digital é um dos
instrumentos que mede a densidade eletrônica da baixa ionosfera, através de rádio frequência,
obtendo como resultado espectros de frequência em função da altura chamados ionogramas. A
ionosfera pode ser analisada estudando-se alguns parâmetros críticos que indicam a altura da
base da camada F(h'F), a frequência com o pico de densidade eletrônica na camada F (foF2) e
a altura do pico de densidade eletrônica na camada F(hpF2). Até o presente momento, estes
parâmetros são extraídos dos ionogramas de uma forma manual e dependente da interpretação
de um analista. Devido à grande quantidade de dados coletados pelas ionossondas necessita-se
de uma automatização deste processo de coleta e análise. Este trabalho propõe um modelo de
apoio à decisão para o processo de análise dos dados coletados por ionossondas com o
propósito de elevar a capacidade de compilação dos dados ionosféricos. Este modelo
incorpora os aspectos cognitivos dos especialistas.
Metodologia
Este trabalho aborda um modelo de apoio à decisão para o processo de extração de parâmetros
críticos da ionosfera a partir de ionogramas. Este modelo foi estruturado em duas partes. A
primeira parte propõe uma abordagem de lógica nebulosa [3] para o problema de associação
de dados, classificando os dados conforme a camada da ionosfera a que ele pertence. O
objetivo desta parte é aprimorar as fases de observação e de orientação do modelo pela
otimização do processamento de dados de modo que o modelo processe de forma isolada cada
camada ionosférica. Nesta parte é utilizada a relação nebulosa. A segunda parte propõe a
construção de regras nebulosas pelos resultados obtidos na relação nebulosa. A lógica
nebulosa foi escolhida devido a capacidade de agregar as heurísticas empregadas pelos
analistas. Neste trabalho é apresentada a primeira parte deste modelo. Neste trabalho, utilizase a relação nebulosa na identificação do perfil da ionosfera. A utilização de relação nebulosa
é uma forma diferente de aplicar lógica nebulosa em relação aos trabalhos existentes
atualmente [1-3]. A definição desta região é importante para diminuir a área de atuação do
algoritmo de extração dos parâmetros. A ionosfera pode ser classificada em camadas
concêntricas da superfície da Terra de acordo com seus níveis de densidade eletrônica, (D [70
a 90 km], E [90 a 150 km] e F [150 a 1000 km]). Propõe-se que a classificação dos dados do
ionograma seja realizada conforme os seguintes passos:
 Definir o conjunto nebuloso para as frequências e altitudes do ionograma, a
função de pertinência utilizada foi a triangular para definir os valores de pertencimento
das frequências e altitudes medidas.
91

Realizar a relação entre os dois conjuntos, define-se que um ponto pertence a uma região se
este apresentar um valor de pertinência maior ou igual a 0,5 nos dois conjuntos (frequência e
altitude). O resultado desta relação é apresentado na Fig. 1.
Foram realizados alguns testes do método de classificação nos ionogramas e foi constatado
que para um dia calmo o método mostra bons resultados. Precisa-se variar os valores dos
limites das camadas da ionosfera conforme o período do dia. Isto gera dois conjuntos
nebulosos diferentes referente a cada período, presença (dia) ou ausência (noite) do Sol, um
no período das 8h-17h tempo local e outro das 18h-7h tempo local. Na Fig. 1 são mostradas
algumas classificações realizadas na estação de São José dos Campos.
(a)
(b)
Figura 1: Exemplos da classificação dos dados do ionograma utilizando a relação nebulosa
nos ionogramas obtidos em São José dos Campos.
Na Figura 1 os retângulos indicam os limites de cada camada da ionosfera que são: E, Es, F1,
F2 e F3. Observa-se na Fig. 1b que a relação nebulosa não cobriu o perfil da ionosfera, que
ficou fora da região definida no conjunto nebuloso. Esse problema deve-se ao comportamento
dinâmico da ionosfera que depende muito da atividade solar. Uma solução para este caso é
recalcular os limites das camadas ionosféricas nos conjuntos nebulosos conforme a
distribuição dos pontos no ionograma. Aplicar uma heurística adaptativa onde a heurística dos
analistas é adaptada a cada ionograma carregado.
Conclusões
Neste trabalho foi possível observar que a relação nebulosa é uma ferramenta que pode ser
aplicada no processo de classificação do ionograma. O modelo proposto precisa de alguns
ajustes para se adequar à dinâmica da ionosfera. Algumas atividades futuras são apresentadas
a seguir: Testar novos conjuntos nebulosos, através da variação das regiões de frequência e
altitude; Definir as regras nebulosas para extração dos parâmetros críticos das camadas
ionosféricas; Testar diferentes lógicas (Mamdani, Larsen e Takagi-Sugeno) verificando o
processo de defuzificação; Comparar os parâmetros críticos extraídos pelo modelo com os
dados já extraídos por analistas.
[1] Klir, G. J. “Fuzzy Sets and Fuzzy Logic: Theory and Applications”. Upper Saddle River,
1995.
[2] Tanaka, K. “Introduction to Fuzzy Logic Pratical applications”, New York, 1997.
[3] Tsoukalas, L. H., Uhrig, R. E.“Fuzzy and Neural Approaches in Engineering”, Nova
York, 1997.
92
PARÂMETROS DE FUNCIONAMENTO DE UMA TURBINA DE
TESLA OPERANDO A AR COMPRIMIDO1
G. M. Placco1; L. N. F. Guimarães2*; G. P. Camillo2*
Faculdade de Tecnologia São Francisco - Jacareí – SP- e-mail: [email protected]
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Energia Nuclear , São José dos Campos – SP
*{guimarae; giannino}@ieav.cta.br
1
Palavras-chave: Turbina de Tesla, ciclo Brayton, energia nuclear.
Introdução
Este artigo está inserido dentro dos objetivos específicos do projeto TERRA, que visa
construir um ciclo Brayton fechado [1] para aplicações espaciais. O balanço de planta ou ciclo
Brayton está sendo projetado em torno de um micro turbo de nome NOELLE 60290, que é
uma turbina aeronáutica utilizada na forma de uma APU (Auxiliary Power Unit). É
importante observar que as turbinas utilizadas na aplicação espacial são do tipo impulsiva.
Esta observação abre a possibilidade de substituir a turbina aeronáutica por uma turbina de
Tesla, que é unicamente impulsiva. A experiência de trabalhar com a turbina de Tesla [2]
revela também que a mesma é extremamente robusta, condição ideal para operação no espaço
por longos períodos de tempo. Este trabalho apresenta os resultados preliminares de
caracterização de uma destas turbinas. Esta caracterização está sendo feita inicialmente com a
turbina operando de forma aberta. O objetivo do experimento é avaliar a influência da pressão
da linha de ar comprimido de entrada, do número de discos e da defasagem entre os furos dos
discos no funcionamento da turbina de Tesla.
Metodologia
Para isso, a infra-estrutura do laboratório contou com um medidor de vazão, um medidor de
temperatura e um regulador de pressão. Estes equipamentos são necessários para que as
condições de operação em cada teste sejam monitoradas, de modo a minimizar a ação de
oscilações da linha de pressão nos resultados. Ainda assim, para garantir condições ideais em
cada experimento, seria necessário não apenas um medidor de temperatura, mas também um
controle da mesma, além de um sistema de desumidificação do ar, equipamentos cuja
instalação não foi possível até o momento. Dessa forma, umidade e temperatura variáveis
podem ter influenciado nos resultados. Para uma melhor base de dados, foram realizados
experimentos para verificar a influência da pressão da linha com várias configurações de
discos (de 7 a 14 discos) e a influência do número de discos com várias pressões de entrada
(de 100 a 600 kPa). Outro medidor utilizado foi um tacômetro digital a laser que mediu a
rotação do eixo, em intervalos de 0,8 segundos.
Foram feitos testes com diversas configurações do sistema. Notou-se que a velocidade angular
de regime média2 é bastante próxima (maior diferença em 30%) para quaisquer configurações
do sistema. O erro pode estar relacionado com algumas variáveis na linha de ar comprimido
sobre as quais não foi exercido controle, como temperatura e umidade. Estas variáveis
influenciam diretamente na viscosidade e velocidade de escoamento. A metodologia adotada
1
Projeto: TERRA
93
para mensurar a potência mecânica do sistema consistiu em ajustar a pressão do fluido de
entrada, calcular o momento de inércia, acionar a válvula do fluido, analisar a rotação e o
tempo gasto pelo sistema para atingir a potência máxima. A Fig.1 mostra o gráfico do
rendimento de potência para um sistema de 9 discos com a pressão variável.
Figura 1: Potência em Watts de um sistema de 9 discos. Foi acoplado ao sistema um
alternador de correntes continua de 27 W para altas rotações, que possibilitaram extrair
resultados de potência elétrica fornecida pelo sistema.
A Figura 2 mostra a comparação entre as potências (mecânica e elétrica) do sistema.
Figura 2: Comparação entre potências
Observou-se perdas no sistema de conversão de potência devido a pontos de ressonância
mecânica gerada pelo alinhamento do eixo da turbina com o eixo do alternador. Essas perdas
ainda não foram mensuradas.
Conclusões
Foram verificados parâmetros que auxiliam na compreensão do funcionamento de uma
turbina de Tesla. Foram identificadas variáveis que irão auxiliar trabalhos futuros que
estudarão maneiras de otimizar o sistema, bem como acoplar o sistema num ciclo fechado.
Agradecimentos
À FAPESP pela bolsa 2009/10209-9.
[1] G. P., CAMILLO, L. N. F., GUIMARÃES, G. M. PLACCO, and E.M., BORGES, 2008,
A Preliminary Design For a Simplified Closed Brayton Cycle Modeling For a Space Reactor
Application, Proceedings of ENCIT 2008, Belo Horizonte, MG, Brasil, 8 p.
[2] TESLA, N., Turbine. United States Patent No. 1061206, 1913.
94
CONVERSÃO DOS ND´S EM RADIÂNCIA E TEMPERATURA DE
IMAGEM DE SENSORIAMENTO REMOTO TERMAL
1
L. L. Andrade1*; R. M. Castro1*; L. S. Galvão2
2
Instituto Nacional de Pesquisa Espacial, São José dos Campos – SP
*{leidiane.andrade; rmcastro}@ieav.cta.br
Palavras-chave: Sensoriamento remoto termal, corpo negro, radiância.
Introdução
O sensoriamento remoto termal tem sido amplamente utilizado em estudos ambientais como,
por exemplo, para entender a relação entre a temperatura da superfície e o uso da terra [1-2],
entre outros. Entretanto, para utilizar este dado, é fundamental conhecer o processo de
aquisição da imagem termal e as etapas de processamento aplicadas para obter a imagem em
grandeza física, seja radiância, temperatura ou emissividade. A imagem fornecida pelo
sistema sensor é dada em números digitais, ND, que corresponde a digitalização da tensão
gerada pelo detector que está relacionada ao nível de excitação gerado pela radiação oriunda
da superfície à qual ele está direcionado. Deste modo, o ND é proporcional a medida do
sensor, a qual está relacionada à temperatura e emissividade dos corpos reais, além de outros
fatores. Entretanto, para que seja possível converter um ND de um pixel de uma imagem em
uma grandeza física também é necessário/desejável a utilização de dois Corpos Negros de
Referência, em geral, posicionados no inicio e no final de cada linha da imagem. O sensor
Hyperspectral Scanner System - HSS possui 13 bandas distribuídas pelos comprimentos de
onda do Infravermelho Médio e Termal [3], além de outras 37 bandas distribuídas ao longo
das regiões visível e infravermelho próximo. Para obter a imagem em grandezas físicas nas
bandas termais, o software fornecido pelo fabricante do sensor (AHS Import Utility), converte
diretamente os ND´s em temperatura de brilho por uma equação da reta, obtida utilizando
como referência os dois corpos negros do sistema sensor. Entretanto, este não é o
procedimento correto, porque desta forma é obtida uma temperatura de brilho para cada pixel
ao invés da radiância que é a grandeza física medida pelo sensor. Deste modo o objetivo deste
trabalho foi desenvolver uma calibração radiométrica, para as bandas termais do sensor HSS.
Metodologia
Para converter os ND´s da imagem em radiância, é necessário realizar uma “calibração”
termal da imagem gerada. Este processo tem início com a determinação da emitância,
MCN(T,λ), dos corpos negros de referência por meio da equação de Planck, utilizando as
temperaturas termodinâmicas (também medidas ao longo do imageamento). Depois, é
estimada a radiância, L(T,λ) dos corpos negros de referência por meio da emitância e
considerando que a superfície possui uma emissão isotrópica (ou seja, corrigi-la por um fator
1/π), além de ponderar pela função de resposta espectral - FRE(λ) de cada banda. Com isto:
2
LT ,    
1
Μ CN T ,  

 FRE     T ,  d 
(1)
Assim, por meio da radiância estimada e dos ND´s, para cada corpo negro, é ajustada uma
reta e obtidos os respectivos parâmetros (Ganhob e Offsetb) para cada banda do sensor. Deste
modo, para converter o ND de cada pixel em radiância, L, para uma determinada banda, b,
temos:
95
Lb  ND  Ganhob  Offsetb
(2)
o
Temperatura ( C)
Resultados
Para poder comparar as imagens em grandeza física obtidas pelo método descrito neste
trabalho e pelo software do sensor, foi determinada a temperatura de brilho correspondente
aos números digitais entre 0 e 4095, para todas as bandas termais do Sensor HSS,
considerando que a emissividade do material que compõe o pixel é igual a 1 e que a
transmitância da atmosfera também é igual a 1. Assim, observando a Fig. 1, verificamos que
as calibrações realizadas pelos dois métodos apresentam resultados semelhantes, variando
entre -1,3 e 0,3 oC. Entretanto, conforme a emissividade diminui como, por exemplo,
materiais com emissividade igual a 0,95, os valores de temperatura de brilho fornecidos pelo
software do sensor são sempre inferiores aos reais (estimado por meio da radiância), e esta
diferença varia de 2 a 4oC.
60
Figura 1: Comparação entre a
temperatura de brilho estimada para cada
50
nível digital de um imageamento típico na
banda 49 do sensor HSS. A reta
40
representa os resultados obtidos com o
30
software do sensor. As duas curvas são os
resultados obtidos por meio da calibração
20
em radiância desenvolvida neste trabalho.
Software HSS
Em vermelho é apresentada a temperatura
10
Radiância =1,00
Radiância =0,95
de um pixel quando a emissividade do
0
material é igual a 1 e, em azul, para a
0
1000
2000
3000
4000
emissividade igual a 0,95.
ND´s
Conclusões
É importante conhecer o processo de aquisição e os processamentos da imagem de
sensoriamento remoto para qualquer tipo de estudo que se realize utilizando este tipo de dado,
uma vez que isto pode acarretar em erros de análise do objeto de estudo. Também é
importante estar atento aos ajustes do sistema sensor, em especial em imageamentos na região
do infravermelho termal, visto que uma combinação de emissividade e temperatura
termodinâmica muito baixa gera uma radiância fora dos limites ajustados da sensibilidade do
sensor. Além disso, como observado, a calibração radiométrica é o método mais correto para
obter a imagem em outra grandeza física como, por exemplo, a temperatura e/ou emissividade
da superfície.
[1] LU, D.; WENG, Q., Spectral mixture analysis of ASTER images for examining the
relationship between urban thermal features and biophysical descriptors in Indianapolis,
Indiana, USA. Remote Sensing of Environment, v.104, n.2, p.157-167, 2006.
[2] ANDRADE, L. L.; SOUZA, L. H.; SAKURAGI, J.; CASTRO, R. M., Estudo de ilhas de
calor na cidade de São José dos Campos utilizando o canal infravermelho termal do Landsat-5
e o aerotransportado HSS. In. SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO
- SBSR, Florianópolis. Anais. São José dos Campos: INPE, 2007, p.473-480.
[3] MOREIRA, R. C.; CASTRO, R. M; ESPOSITO, E. S. C.; LUCCA, E. V. D., Sensor
hiperespectral HSS: sumário das características técnicas. In.: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE
SENSORIAMENTO REMOTO – SBSR, 12., Goiânia, 2005. Anais. SJC: INPE, p. 45174524. 2004.
96
SIMULAÇÃO NUMÉRICA DE ESCOAMENTOS NA TUBEIRA E
SEÇÃO DE TESTES DO TÚNEL HIPERSÔNICO T2 DO IEAv1
F. R. T. Pereira1*; M. A. P. Rosa2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Eng. Aeronáutica, S. J. Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Aerotermodinâmica e Hipersônica, S. J. Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Túnel hipersônico T2, tubeira, simulação numérica.
Introdução
Estudos experimentais em túneis de choque hipersônicos dependem largamente de cálculos
teóricos/numéricos para a realização do experimento desejado e para análise dos resultados
experimentais. Para uma análise pré-experimento, pode-se citar o programa STCALC_T2 [1]
como exemplo, pois ele estima com boa precisão o escoamento livre na saída da tubeira,
especificamente para o túnel T2 do Laboratório de Aerotermodinâmica e Hipersônica (LAH)
do IEAv. Para análises pós-experimento, existem várias possibilidades de programas
computacionais que se diferenciam principalmente de acordo com a complexidade dos
modelos e métodos implementados. No entanto, tais programas não fornecem informações
sobre a distribuição espacial do escoamento de ar no interior da seção de testes do túnel onde
o corpo de prova é posicionado. Em geral, por não possuir outra informação do escoamento
livre, a não ser as fornecidas pelos programas acima mencionados, a análise dos resultados
experimentais considera um escoamento livre uniforme incidindo sobre toda a parte frontal do
corpo. Contudo, dependendo principalmente da forma e profundidade do corpo de prova, esta
suposição pode acarretar em imprecisões na análise dos resultados. Neste contexto, o trabalho
aqui proposto é uma continuação dos estudos numéricos do escoamento livre disponível na
seção de testes em experimentos com o túnel hipersônico T2. Deve-se, a partir dos resultados
a serem obtidos neste trabalho, adquirir um melhor conhecimento do escoamento a que os
corpos de provas estão submetidos.
Metodologia
São feitos cálculos do escoamento de ar na tubeira do túnel T2, divergente de 200 mm de
diâmetro, e na região de sua seção de testes, onde são posicionados os corpos de provas em
ensaios experimentais, empregando modelos bidimensionais em espaço (axi – simetria) para
algumas condições de baixa e de média entalpia. Para isso são utilizados os programas
gambit, para a criação de geometrias e malhas; e fluent, para os cálculos de escoamentos.
Cálculos foram efetuados para os conjuntos: tubeira e tubeira/seção de testes do túnel T2.
Cálculos somente na tubeira tiveram dois objetivos: familiarização do aluno com os
programas computacionais e estudo de casos para diferentes condições de pressão em sua
saída. Posteriormente, foram efetuados cálculos para a tubeira acoplada à seção de testes para
as condições de experimentos no túnel T2. A solução desejada para o escoamento é a de
regime permanente que é obtida com o programa fluent através de uma solução de transitório.
Para isso, necessita-se definir as condições de contorno e inicial para o problema, as quais
foram obtidas de medidas experimentais [2], tais como a pressão na entrada da tubeira, a
1
Projeto: Simulação numérica de escoamentos na tubeira e seção de testes do túnel hipersônico T2 do IEAv.
97
pressão inicial na saída da seção de testes, e outras a partir de cálculos numéricos com o
programa STCALC [3], como a temperatura na entrada da tubeira. Considerou-se, também, o
ar estagnado na temperatura ambiente no interior da tubeira e seção de testes para o inicio do
procedimento de cálculo, além de considerar escoamento viscoso turbulento. Por ter sido
adotado o modelo de gás caloricamente perfeito para o ar, considerou-se para os cálculos
somente experimentos de baixa e média entalpia. As distribuições espaciais de várias
propriedades (pressão, temperatura, velocidade, Mach e densidade, etc) do escoamento de ar
foram obtidas. As figuras abaixo mostram resultados para pressão de 5,4 MPa e temperatura
de 812 K na entrada da tubeira. Na Fig. 1 são mostrados a tubeira e parte da seção de testes
aonde foram efetuados os cálculos e, a título de exemplo, a distribuição do número de Mach.
Como pode ser visto, o ar se expande na tubeira e também na seção de testes e produz um
escoamento que não é exatamente uniforme. Já na Fig. 2 são mostradas curvas de pressão em
diversas seções transversais no interior da seção de testes, a partir da saída da tubeira e com
espaçamento de 2 cm na direção longitudinal, até uma distância de 100 mm na direção radial.
Como pode ser visto nesta figura, os efeitos viscosos devido à parede da tubeira, se estendem
para dentro da seção de testes e, devido ao ar continuar se expandindo no interior dessa seção,
tem-se uma diminuição considerável na pressão à medida que se afasta da tubeira, mas com
um perfil quase uniforme na direção radial. Desta forma, um corpo colocado na seção de
testes a partir da saída da tubeira estará sujeito a um escoamento livre de ar não exatamente
uniforme na direção radial e podendo variar consideravelmente na direção longitudinal. Os
resultados obtidos neste trabalho na saída da tubeira se mostraram comparáveis aos obtidos
com o programa STCALC.
Figura 1: Mapa do número de Mach na
tubeira e seção de testes para pressão de 5,4
MPa e T=812 K na entrada da tubeira.
Figura 2. Distribuição radial de pressão
em diferentes seções transversais no
interior da seção de testes.
[1] PEREIRA, F. R. T.; ROSA, M. A. P., STCALC_T2: Um Simulador Numérico para o
Túnel de Choque Hipersônico T2 do IEAv, III Seminário de Iniciação Científica Institucional
do IEAv - SICI III, 2009, S. J. Campos, 2009. v.1. p.11-12.
[2] ROSA, M. A. P.; MENEZES, A. C.; ROCAMORA, JR., FRANCISCO, D., STCALC – A
Hypersonic Shock Tunnel Calculator, Anais do COBEM 2009, Gramado, RS, 2009.
[3] A. Menezes; D. Romanelli; F. Rocamora; M. Antoniazzi, Determinação de Novas
Condições de Ensaio do Túnel Hipersônico T2 para o Veículo SARA, publicado no Livro de
Atividades do IEAv, v.1, p.40.
98
Índice de autores
A
A. C. A. Faria Jr ............................................................ 47
A. C. C. Migliano .................33, 35, 37, 39, 59, 69, 71, 79
A. E. O. Ferraz .............................................................. 55
A. J. Abdalla............................................................ 31, 51
A. J. Damião...................................................... 16, 23, 31
A. J. F. Orlando ............................................................. 69
A. K. Hirata................................................................... 37
A. K. Horie.................................................................... 33
A. N. Dias................................................................ 11, 27
A. O. Toledo.................................................................. 47
A. P. L. Guimarães.................................................. 57, 63
A. Passaro.................................................... 67, 77, 83, 85
A. S. Sirqueira ............................................................... 59
B
B. A. Cunha................................................................... 59
B. G. Soares .................................................................. 59
C
C. G. José ...................................................................... 61
C. J. Rocha .................................................................... 43
C. Maciel....................................................................... 85
C. S. T. Marques ........................................................... 49
D
D. A. Machado ........................................................ 57, 63
D. C. Chagas ..................................................... 11, 27, 75
D. Carinhana Jr........................................................ 57, 63
E
E. C. Paul ...................................................................... 65
E. F. Antunes................................................................. 11
E. H. Shiguemori..................................................... 41, 61
E. N.Watanabe .............................................................. 67
E. Y. S. Lutif ................................................................. 69
F
F. A. Goia...................................................................... 87
F. B. D. Filho ................................................................ 49
F. D. Origo .............................................................. 16, 23
F. F. Araújo ................................................................... 71
F. Nascimento ............................................................... 16
F. R. T. Pereira ............................................................ 97
G
G. M. Placco............................................................ 73, 93
G. P. Camillo........................................................... 73, 93
G. S. Ferreira ................................................................. 53
G. S. Vieira.................................................................... 65
G. Vasconcelos.................................................. 11, 27, 75
H
H. Inoue......................................................................... 31
I
I. R. Carrer .................................................................. 51
J. C. Magalhães............................................................. 19
J. G. A. Santana ............................................................ 31
L
L .H. Claro .................................................................... 81
L. C. Vasconcellos ........................................................ 47
L. G. Barreta ................................................................. 55
L. L. Andrade................................................................ 95
L. N. F. Guimarães............................................ 73, 91, 93
L. S. Galvão .................................................................. 95
L. V. Lemos .................................................................. 37
L. Vasconcellos............................................................. 75
M
M. A. P. Rosa............................................................... 97
M. C. Melo.................................................................... 45
M. C. Vicentini ............................................................. 31
M. F. Mendonça............................................................ 65
M. J. R. Barboza ......................................................... 51
M. L. Silva .................................................................... 45
M. M. Cossa.................................................................. 59
M. M. Nogueira ............................................................ 31
M. M. Silva ............................................................. 33, 77
M. R. F. Gontijo............................................................ 35
M. S. F. Lima .......................................................... 19, 87
N
N. M. Abe ..................................................................... 67
O
O. L. Gonçalez .............................................................. 53
P
P. H. S. Picciani ............................................................ 59
R
R. G. Vaz ...................................................................... 53
R. M. Andrade .............................................................. 41
R. M. Castro............................................................ 45, 95
R. S. Ferreira................................................................. 39
R. Y. Tanaka ................................................................. 83
S
S. A. Cunha................................................................... 79
S. D. Freire.................................................................... 23
S. F. L. Nogueira........................................................... 81
S. M. Rovetta ................................................................ 89
T
T. A. Trevisan ............................................................... 31
V
V. G. Pillat .................................................................... 91
V. L. O. Brito.................................................... 37, 71, 79
W
W. C. Prudencio............................................................ 85
W. Miyakawa................................................................ 89
W. P. Gonçalves............................................................ 83
J
J. C. C. Siqueira............................................................. 43
99

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