Livro de resumo - IEAv

Transcrição

ISSN 2238-5851
Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do
Instituto de Estudos Avançados
São José dos Campos – SP
2013
Volume 1 – Ago/2012 – Jul/2013
© 2013 Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Qualquer parte desta publicação pode ser reproduzida, desde que citada a fonte.
A publicação inclui os trabalhos apresentados no II Simpósio de Ciência e Tecnologia do
Instituto de Estudos Avançados. II SCTI, 24 e 25 de Junho de 2013.
Publicado por:
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Endereço:
Trevo Coronel Aviador José Alberto Albano do Amarante, n◦1 - Bairro Putim
CEP 12228-001
São José dos Campos - São Paulo - Brasil
Tel. (12) 3947-5360/ Fax. (12) 3944-1177
www.ieav.cta.br
Informações adicionais sobre o IEAv podem ser obtidos com a Coordenadoria de
Comunicação Social – CCS. Tel. (12) 3947-5360, [email protected].
Editores:
Dr. Getúlio de Vasconcelos – EFO
Dr. Ruy Morgado de Castro (coordenador) – EGI
Dr. Abel Antonio da Silva – ENU
Dr. Elcio Hideiti Shiguemori – EGI
Dr. Ademar Muraro Junior - EFA
Dr. Mauricio Antoniazzi Pinheiro Rosa – EAH
Dra. Valeria Serrano Faillace Oliveira Leite – EST
Rosilene Maria de Mendonça da Costa
Daniele Cristina Chagas
Anais do Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados.
- vol.1 (ago/2012 – jul/2013) - São José dos Campos. IEAv, 2013
Anual
ISSN 2238-5851
Inclui: Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos
Avançados - II SCTI – IEAv/DCTA, 24 e 25 de Junho de 2013.
1. Iniciação Científica e Pós-Graduação – Simpósio. 2. Pesquisa Científica.
3. Ciência e Tecnologia. 4. Desenvolvimento Tecnológico.
II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.2, 2013
2
II SCTI 2013
II Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos Avançados
Volume 1 – Ago/2012 – Jul/2013
2013
3
Instituto de Estudos Avançados – IEAv
Direção
Cel Av Vilson Rosa de Almeida
Diretor do IEAv (EDR)
Ten Cel Av Mauricio Pozzobon Martins
Vice-Diretor Administrativo (EVA)
Dr Osvaldo Catsumi Imamura
Vice-Diretor Técnico (EVT)
Comissão Organizadora do SCTI
Comitê Institucional PIBIC-PIBITI/IEAv
Dr. Ademar Miraro Junior – EFA
Comissão Científica
Dr. Ademar Miraro Junior – EFA
Realização
Apoio
4
Volume 1 – 2013
Sumário
Editorial .................................................................................................................................................................. 8
O Evento ................................................................................................................................................................. 9
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS DE ALTA RESISTÊNCIA ................................ 10
TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE DE FERRO REVESTIDO COM GRAFITA COM LASER A FIBRA ... 14
ESTUDO DA EFICIÊNCIA DO CICLO PDE .................................................................................................... 16
ANÁLISE DE PARÂMETROS EM MOAGEM DE ALTA ENERGIA ............................................................. 22
INTERROGADOR ÓPTICO DE GRADES DE BRAGG ................................................................................... 28
AVALIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA E DA POROSIDADE TOTAL DO CARBONO VÍTREO
COMPACTADO UTILIZANDO O PRINCÍPIO DE ARQUIMEDES E O IMAGE J ........................................ 33
O MÉTODO ELEMENT-FREE GALERKIN: APLICAÇÃO EM NANO-DISPOSITIVOS A POÇOS E
PONTOS QUÂNTICOS ...................................................................................................................................... 39
ESTUDO DE COMPONENTES DE INTERFERÔMETRO NO INFRAVERMELHO ..................................... 45
ANÁLISE DA PERMISSIVIDADE ELÉTRICA NA BANDA S E DAS MICROESTRUTURAS DE
AMOSTRAS POLICRISTALINAS DE CoFe2O4 ................................................................................................ 50
WEBQUEST COMO FERRAMENTA DE APOIO A ALUNOS NA APRENDIZAGEM DE SENSORES E
ATUADORES ..................................................................................................................................................... 56
COMPARAÇÃO DA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO PRODUZIDO COM
DIFERENTES MATERIAIS CATALISADORES .............................................................................................. 61
CARACTERIZAÇÃO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE DE CARBONO VÍTREO IRRADIADOS A LASER
.............................................................................................................................................................................. 65
DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ESPELHOS SOBRE O CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO ..... 70
ESTUDO TERMOCINÉTICO DAS REAÇÕES DO METANOTIOL COM OS ÁTOMOS DE OXIGÊNIO E
ENXOFRE ............................................................................................................................................................ 75
SISTEMA EMBARCADO PARA CONTROLE DE GIMBAL DE ESTABILIZAÇÃO DE CAMERA EM UM
VANT ................................................................................................................................................................... 80
ANÁLISE DE TÉCNICAS DE RECONHECIMENTO DE PADRÕES BASEADAS EM TEXTURA
APLICADAS EM IMAGENS ÁEREAS .............................................................................................................. 85
IMPLANTAÇÃO DA DOSIMETRIA DE ALTAS DOSES GAMA COM O DOSÍMETRO
TERMOLUMINESCENTE TLD-800 .................................................................................................................. 92
BIOCORROSÃO EM AÇO 300M CARBONETADO A LASER ....................................................................... 98
ESTUDO DA AERODINÂMICA INTERNA EM EQUIPAMENTOS DE ENSAIO EM SOLO PARA
PESQUISA DE ESCOAMENTOS HIPERSÔNICOS E DA COMBUSTÃO SUPERSÔNICA ....................... 102
RECONHECIMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS AÉREAS .................................................................... 108
ODOMETRIA VISUAL PARA APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO AUTÔNOMA DE VEÍCULOS AÉREOS
NÃO TRIPULADOS .......................................................................................................................................... 114
TRATAMENTO SUPERFÍCIAL DE AÇO INOXIDÁVEL POR MÉTODOS A LASER DE CO 2 ................. 119
II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.5-7, 2013
5
ROTINA COMPUTACIONAL PARA CÁLCULO DE PERMEABILIDADE E PERMISSIVIDADE
COMPLEXAS DE AMOSTRAS POSICIONADAS EM LINHAS COAXIAIS ............................................... 125
APLICAÇÃO DA REDE PERCEPTRON DE MÚLTIPLAS CAMADAS NO PROCESSAMENTO DE
IMAGENS AÉREAS .......................................................................................................................................... 131
USO DO DESCRITOR ORB PARA LOCALIZAÇÃO DE OBJETOS MÓVEIS EM IMAGENS OBTIDAS
POR VANT ......................................................................................................................................................... 135
FERRITA DE COBALTO BÁRIO PARA APLICAÇÃO EM ECAPSULAMENTO DE SENSORES ............ 141
ANÁLISE DA TÉCNICA DE CANCELAMENTO PASSIVO EM CILINDRO COM FENDA UTILIZANDO O
MÉTODO FDTD ................................................................................................................................................ 145
ESTUDOS PRELIMINARES SOBRE AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DA RADIAÇÃO IONIZANTE EM
SISTEMAS EMBARCADOS EM AERONAVES ............................................................................................. 151
SISTEMAS CERÂMICOS FERROELÉTRICOS ISENTOS DE CHUMBO KSN – CuO:
MICROESTRUTURA, PROPRIEDADES ÓPTICAS E APLICAÇÃO ............................................................ 157
MAPEAMENTO DE ESPÉCIES QUIMIOLUMINECENTES PARA APLICAÇÃO EM TÚNEIS DE
CHOQUE HIPERSÔNICOS .............................................................................................................................. 163
SOFTWARE PARA CÁLCULO DO VALOR DA INFORMAÇÃO ................................................................ 168
IMPLEMENTAÇÃO DO EFEITO DA NÃO-PARABOLICIDADE DA ENERGIA NA APROXIMAÇÃO DE
MASSA EFETIVA DE MATERIAIS SEMICONDUTORES NO QWS ........................................................... 173
APLICAÇÃO DE MÉTODOS TEÓRICOS NA DETERMINAÇÃO DAS ESTRUTURAS, POTENCIAL DE
IONIZAÇÃO E ELETROAFINIDADE DOS AGREGADOS DE Mgnx (n = 1 - 7, x = 0, ± 1) ......................... 179
FERRITAS CuxCo1-xFe2O4 - EFEITOS DA VARIAÇÃO ESTEQUIOMÉTRICA NO COMPORTAMENTO
ELETROMAGNÉTICO ..................................................................................................................................... 185
ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE AÇOS AERONÁUTICOS SUBMETIDOS A DIFERENTES
TRATAMENTOS TÉRMICOS .......................................................................................................................... 190
DETERMINAÇÃO DA FOTOCORRENTE EM DISPOSITIVOS DETECTORES DE INFRAVERMELHO
BASEADOS EM POÇOS QUÂNTICOS ........................................................................................................... 195
DETECÇÃO DE PISTA DE POUSO DE CONCRETO OU ASFALTO EM IMAGENS DE MÉDIA E ALTA
RESOLUÇÃO UTILIZANDO FEIÇÕES HAAR-LIKE EM CASCATA ......................................................... 201
ESTUDO DA REFLECTÂNCIA DE MATERIAIS NA REGIÃO DO VISÍVEL E INFRAVERMELHO
PRÓXIMO DO ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO....................................................................................... 206
CARACTERIZAÇÃO DA DETONAÇÃO PULSADA POR EMISSÃO COM RESOLUÇÃO TEMPORAL 212
DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA VANT PARA SER UTILIZADA EM TESTE COM O
PILOTO AUTOMÁTICO PITER ....................................................................................................................... 218
AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS DE POLITEREFTALATO DE ETILA OU PET
REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO COMO SUBSTITUTO AO AÇO EM PAVIMENTAÇÃO
EXPOSTA AO TEMPO ..................................................................................................................................... 224
ESTUDO DO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO A PLASMA EM CHAPA DE Ti-6Al-4V SOLDADA COM
LASER A FIBRA ............................................................................................................................................... 228
MICROESTRUTURAS PERIÓDICAS INDUZIDAS POR LASER EM SUPERFÍCIES DE AÇO INOX
AISI304 ............................................................................................................................................................... 230
ESTUDO DA TEMPERATURA NUMA CHAMA PRÉ-MISTURADA DE GLP/O2/AR PELA TÉCNICA LIF
DO RADICAL CH.............................................................................................................................................. 232
AUTOMATIZAÇÃO DOS APARATOS EXPERIMENTAIS DE CARACTERIZAÇÃO ELETRO-ÓPTICA 234
DESENVOLVIMENTO DE FORNO DE INDUÇÃO PARA PRENSAGEM A QUENTE DE CARBONO
VÍTREO RECARBONIZADO ........................................................................................................................... 236
ADEQUAÇÃO DAS DIMENSÕES DO ÓXIDO DE COBRE SINTERIZADO PARA ANÁLISE
ELETROMAGNÉTICA ..................................................................................................................................... 238
6
ANÁLISE DA FORMAÇÃO DE POROSIDADE INTRAGRANULAR DE FERRITAS Ni-Zn ..................... 240
CARACTERIZAÇÃO INICIAL DE UM CANHÃO DE ELÉTRONS BASEADO EM UM PSEUDOSPARK 242
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE FERRITAS DE COBALTO
PARA APLICAÇÕES EM SENSORES AEROESPACIAIS ............................................................................. 244
PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO DE UM COMPÓSITO CERÂMICO À BASE DE FERRITA E
TITANATO DE BÁRIO ..................................................................................................................................... 246
ESTUDO DE FRAMEWORKS DE METAHEURÍSTICAS ............................................................................. 248
Índice de autores ................................................................................................................................................. 250
Art.0
7
Editorial
Desde sua inauguração há 31 anos, o Instituto de Estudos Avançados, considera a formação
de recursos humanos qualificados, como um de seus objetivos. Com esta visão, a iniciação
científica e tecnológica sempre foi considerada como parte integrante das atividades deste
Instituto. É através dela que os alunos têm a oportunidade de entender e praticar o método
científico, exercitar sua criatividade, aperfeiçoar o seu espírito crítico, perceber e aprender a
respeitar os seus limites e os das pessoas ao seu redor, além de estimular os alunos de
graduação a ingressarem em programas de pós-graduação e impulsionando, desde cedo, as
suas carreiras científicas.
No início de sua vida e por alguns anos que se seguiram, o IEAv conseguiu manter um quadro
de pesquisadores em fase de formação, efetuando o pagamento de bolsas, através de recursos
próprios da instituição. Porém naquela época, as prioridades das pesquisas científicas
estiveram atreladas a decisões políticas imediatistas que levaram às grandes dificuldades, não
apenas na manutenção dos projetos, como também no incentivo aos trabalhos de iniciação
científica. Felizmente esta época começa a declinar.
Para solucionar este problema, ocorreram algumas tentativas individuais para obtenção de
quotas institucionais de bolsas de iniciação científica, infelizmente sem êxito. Em 2005,
através da maciça participação dos pesquisadores, solicitou-se novamente ao CNPq a
concessão de quotas. No ano de 2006, fomos contemplados com 10 quotas de bolsas do
Programa Institucional de Bolsas de Iniciação Cientifica (PIBIC) e nesses últimos anos
conseguimos aumentar nossa quota de bolsas, atingindo em 2012, 26 bolsas. Além disso, em
2011 fomos contemplados com 03 cotas de bolsas do Programa Institucional de Bolsas de
Iniciação em Desenvolvimento Tecnológico e Inovação (PIBITI).
Inicialmente, com a finalidade de satisfazer as exigências de avaliação do programa de
iniciação científica pelo CNPq, propôs-se a realização do I Seminário de Iniciação Científica
do IEAv, em 2007. Pela resposta interna dos pesquisadores, percebeu-se que o interesse na
realização deste evento era muito maior do que apenas mobilizar os alunos que possuíam
bolsas institucionais de iniciação científica do PIBIC-CNPq. Mostraram interesse em
participar, vários alunos que desenvolveram atividades de iniciação científica no IEAv e
também os alunos que cursavam a pós-graduação no Instituto, sejam elas incentivadas por
outros órgãos de fomento ou mesmo por voluntariedade. Como se tratava de um evento
exclusivo de Iniciação Cientifica, somente no ano de 2009 passou-se a receber as
contribuições dos alunos de pós-graduação do Instituto. Em virtude do grande número de
alunos de pós-graduação e também pelo fato da aprovação da pós-graduação no IEAv, neste
ano estamos também realizando o II SCTI que engloba não só os trabalhos dos alunos do
programa PIBIC e PIBITI do IEAv, mas também os alunos da nossa Pós-Graduação.
Acreditamos que a realização deste segundo simpósio de ciência e tecnologia demonstra a
grande responsabilidade com a manutenção e a condução do PIBIC, do PIBITI e da PósGraduação representam para nossa Instituição.
Agradecemos o apoio recebido da Direção do Instituto, das Comissões Internas e Externas
envolvidas neste processo e das agências de fomento e empresas que, possibilitaram a
realização deste II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv.
Comissão Organizadora do II SCTI 2013.
8
O Evento
Este é o II SCTI Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, que acontece em São José dos
Campos nos dias 24 e 25 de junho de 2013. O II SCTI 2013 tem como objetivo apresentar e
discutir com a comunidade, os trabalhos desenvolvidos pelos alunos de graduação de diversas
universidades e da Pós-Graduação do IEAv, junto aos projetos da Instituição. O evento será
composto por palestras de curta duração, nas quais serão apresentados os trabalhos de
pesquisa cientifica e tecnológica desenvolvidos pelos alunos durante o ano. Haverá também
uma sessão de pôsteres, onde ficarão expostos os trabalhos durante todo o evento.
Os trabalhos de iniciação científica, de desenvolvimento tecnológico e de pós-graduação estão
dentro das áreas de atuação da Instituição: Aerotermodinâmica e Hipersônica, Energia
Nuclear, Física Aplicada, Fotônica e Geointeligência.
Para o II SCTI foram inscritos 66 trabalhos de pesquisa que depois de revisados por uma
comissão cientifica, 52 foram considerados aceitos para publicação neste periódico.
Os trabalhos deste fascículo são resultados dos projetos de iniciação cientifica desenvolvidos
por alunos ligados às universidades próximas e da região do Vale do Paraíba. A maioria dos
alunos que participarão deste evento contou com o apoio financeiro das agências de fomento:
PIBIC-PIBITI/CNPq e FAPESP.
Nesta edição do SCTI, em razão da qualidade dos trabalhos dos nossos alunos e do crescente
aumento do número de contribuições, superior a 20% em relação ao I SCTI 2012, realizado
no ano anterior, manteve-se o registro do nosso caderno de publicações junto ao Centro
Brasileiro do ISSN (CBISSN). Outro fator que também nos motivou foi à contribuição dos
alunos participantes do programa de pós-graduação, orientados por nossos pesquisadores.
Desta forma, a criação de um periódico do IEAv, vem a satisfazer e atender aos anseios da
publicação dos trabalhos de nossos alunos de pós-graduação e iniciação científica, sendo esta
uma oportunidade ímpar, de reunir em uma única publicação, os muitos dos trabalhos
desenvolvidos aqui no IEAv.
Frente ao novo perfil de nossa publicação, uma comissão composta por membros
participantes do Programa de Pós-Graduação do IEAv foi reunida, junto com a comissão do
Programa PIBIC e PIBITI e decidiu-se registrar no ISSN (Internatinal Standard Serial
Number) com o título SCTI – Simpósio de Ciência e Tecnologia do Instituto de Estudos
Avançados. Esse novo perfil, naturalmente adquirido, tendo em vista as colaborações
científicas recebidas pela comissão do II SCTI, abrangerá trabalhos técnicos científicos de
diferentes níveis de formação de recursos humanos, não só os de iniciação científica
anteriormente previsto.
Esperamos que a forma com que foi organizado, o II SCTI possa oferecer à comunidade
científica do IEAv, em especial aos alunos que desenvolvem trabalhos de iniciação científica
e pós-graduação, um evento agradável, no qual se possa conhecer uma parcela da pesquisa
realizada atualmente na Instituição, e que ainda possa haver uma reflexão dos participantes
quanto aos eventos futuros.
Comissão Organizadora do II SCTI 2013.
9
ESTUDO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS DE ALTA
RESISTÊNCIA 1
1
G. C. C. Correard 1*; M. S. F. Lima 1
Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP
*[email protected]
Palavras-chave: aços avançados de alta resistência, aços TRIP, ensaio de tração, ensaio de
flexão, soldagem a laser.
Introdução
Aços avançados de alta resistência (AHSS) estão despontando como uma nova classe de
materiais para aplicações nas áreas automotiva, petroquímica e aeroespacial. Tais aços têm
aplicações diversas, principalmente, associados à redução de peso de componentes de
estruturas metálicas e dinâmicas. Esses aços, em geral, são compostos de muitos microconstituintes como ferrita, bainita, martensita e austenita retida [1]. Esta microestrutura é
considerada complexa para soldagem, principalmente quando a zona termicamente afetada
(ZTA) é muito grande. Uma das opções para se minimizar os efeitos térmicos indesejáveis da
soldagem convencional é a utilização de soldagem a laser, que oferece a vantagem da solda
com mínima zona afetada termicamente.
O objetivo do presente trabalho é caracterizar a microestrutura e propriedades mecânicas de
quatro tipos de aços avançados de alta resistência soldados no processo a laser, sendo três do
tipo dual-phase: DP600, DP600GI e DP600GA e um do tipo TRIP750.
Metodologia
Os quatro tipos de aços foram designados da seguinte forma: US (DP600), GI (DP600GI),
GA (DP600GA) e TR (TRIP750). As placas tipo GI e GA possuem revestimentos
galvanizados de Zn. A espessura das placas e os valores médios do limite de escoamento (y),
limite de resistência (max), alongamento uniforme (Lu) e alongamento máximo (Lmax) do
material de base encontram-se na Tabela 1.
As placas foram cortadas nas dimensões 200x100 mm cada por meio de eletroerosão, limpas e
o revestimento nas bordas foi eliminado. As placas foram montadas numa mesa de soldagem
de acordo com a Figura 1 e foram realizadas duas passagens com o laser, uma de cada lado da
junta (frente e verso).
As placas soldadas foram, então, preparadas para ensaios de tração e flexão. Para o ensaio de
tração, as chapas soldadas foram cortadas numa máquina de eletroerosão em corpos de prova
segundo o padrão ASTM E8 [2] (Figura 2a). Para o ensaio de flexão foram utilizadas partes
soldadas retiradas no corte dos corpos de prova do ensaio de tração (Figura 2b).
Foram realizados 114 ensaios de tração uniaxial de acordo com a montagem mostrada na
Figura 3a e o resumo dos resultados é apresentado na Tabela 2, com os valores do Módulo
Elástico (E), limite de escoamento (y), limite de resistência (max), alongamento uniforme
(Lu) e alongamento máximo (Lmax).
Os ensaios de flexão foram realizados pela técnica dos três pontos em 44 corpos de prova,
conforme mostra a Figura 3b. O ponto de flexão superior foi sempre sobre a solda realizada.
1 Projeto: Tese de doutorado: Estudo das propriedades mecânicas de aços de alta resistência.
10
As propriedades medidas são mostradas na Tabela 3, com os valores do módulo de
elasticidade em dobramento (E), tensão de escoamento (y), limite de resistência (max) e
alongamento na força máxima (Lmax).
Resultados e Discussão
Uma análise da Tabela 2, mostra que o valor do módulo elástico variou entre 23 e 34 GPa.
Esta ampla variação se deve a dois fatores: cada lado do corpo de prova possui um
comportamento elástico diferente e a solda se comporta como um material diferente, sujeito
às suas próprias condições de deformação elástica. Um fato importante a ser considerado é
que estes valores são muito mais baixos que aqueles esperados para aços US ou TR, cujo
valor de “E” deve estar em torno de 200 GPa. Isso se deve ao fato que os resultados da Tabela
1 se referem ao módulo de elasticidade aparente, o qual deve ser convertido ao módulo real.
Tabela 1. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais de base
Sigla
US
GI
GA
TR
Espessura
(mm)
1,80
2,20
1,62
1,60
y
(MPa)
417±8
430±20
400±20
489±7
max
(MPa)
631±7
630±20
610±20
746±4
Lu
(%)
16,9±0.6
16,0±1,0
16,7±0,9
23,0±0,6
Lmax
(%)
30±1
29±3
29±1
32±1
Figura 1. Montagem das placas na mesa de soldagem.
(a)
(b)
Figura 2. (a) Corpos de prova para o ensaio de tração. (b) Corpos de prova para o ensaio de
flexão.
11
No caso da tensão de escoamento, verifica-se certa diminuição de valores em relação ao
material base, este último apresentado na Tabela 1. Segundo as análise realizadas, os aços US
possuem limite de escoamento entre 400 e 430 MPa e o aço TR em cerca de 490 MPa. Por
outro lado, os aços US soldados, similares ou dissimilares, apresentam limite de escoamento
entre 300 e 400 MPa. As misturas entre TR e os aços US apresentaram limite de escoamento
entre 360 e 450 MPa. Finalmente, soldas do tipo TR/TR possuem limite de escoamento de
470 MPa, bem próximo aos 490 MPa do material base.
(a)
(b)
Figura 3. (a) Fotos da montagem e do ensaio de tração. (b) Foto do ensaio de flexão
Tabela 2. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais em tração
Material
E (GPa)
y (MPa)
max (MPa)
Lu (%)
Lmax (%)
GA-GA
29,0±2,0
400±30
670±30
32,0±2,0
43,0±6,0
GA-GI
27,8±0,4
401±3
651±3
20,1±0,3
27,0±1,0
GA-US
28,0±1,0
397±4
661±4
24,3±0,5
32,0±1,0
GI-GI
23,0±1,0
400±10
630±10
32,0±1,0
40,0±3,0
GI-US
34,0±3,0
310±30
490±50
24,5±0,3
33,2±0,3
TR-GA
32,0±3,0
360±30
590±60
24,4±0,3
30,9±0,2
TR-GI
34,0±3,0
400±30
660±60
35,0±1,0
43,0±1,0
TR-TR
31,0±2,0
470±10
762±8
47,0±1,0
55,0±1,0
TR-US
26,0±5,0
450±30
707±6
30,5±0,1
38,8±0,4
US-US
27,0±1,0
381±4
650±10
35,0±4,0
44,0±7,0
Pode-se verificar que os resultados obtidos para o limite de resistência são bastante
semelhantes ao metal base. Os melhores resultados são sempre da junção entre duas chapas do
tipo TR, que também apresentou os maiores valores de alongamento.
Tanto em termos de alongamento uniforme e total, quanto em termos de resistência mecânica,
as soldas mais preocupantes residem na junção entre GI e US. As razões metalúrgicas para
isto será objeto de investigação microscópica na consecução do trabalho. Por outro lado, os
resultados gerais de deformação (alongamento) se mostraram tão bons ou superiores aos
materiais base. A fratura nos corpos de prova sempre ocorre em uma das chapas, longe da
solda.
12
Tabela 3. Resumo das propriedades mecânicas dos materiais em flexão.
Sigla
E (GPa)
y (MPa)
max (MPa)
Lmax (%)
GA-GA
0,70±0,06
12,0±1,0
23,0±1,0
22±1
GA-GI
1,02±0,04
14,7±0,6
28,0±2,0
15±1
GA-US
0,88±0,04
14,0±0,1
26,0±1,0
19±3
GI-GI
1,30±0,10
17,2±0,4
32,3±0,5
22±1
GI-US
1,00±0,02
16,0±0,1
29,3±0,6
17±1
TR-GA
0,75±0,02
13,3±0,6
25,0±0,1
20±2
TR-GI
1,12±0,04
17,7±0,6
30,7±0,6
16±1
TR-TR
0,78±0,07
15,7±0,8
25,3±0,5
21±2
TR-US
0,86±0,02
15,7±0,6
28,0±0,1
19±1
US-US
0,92±0,03
14,3±0,5
26,7±0,8
20±1
Para o ensaio de flexão, os resultados apresentados na Tabela 3, foram muito parecidos em
todas as condições, mostrando as boas propriedades de conformidade das chapas. Em todos os
casos, não houve rompimento dos corpos de prova na região da solda. Ainda, comparando-se
com as placas de material base que não foram soldadas, os resultados foram muito
semelhantes.
Conclusões
De uma forma geral, todos os corpos de prova soldados a laser apresentaram um bom
comportamento em tração uniaxial e flexão. Uma das principais aplicações destas novas
classes de aços reside na conformação de blanques para a indústria de transporte. Portanto, os
resultados obtidos no ensaio de flexão, são promissores, no que se refere à conformação das
chapas. O trabalho ainda necessita de mais estudos, como a caracterização da zona fundida e
testes de resistência à fadiga, e quando concluído poderá trazer importantes resultados para a
aplicabilidade de soldagem a laser e aços avançados com alta resistência (AHSS).
Agradecimentos
Agradecemos ao Suporte Tecnológico (SUTEC) do IEAv pela confecção das placas e corpos
de prova.
Referências
[1] ASGARI, S.A; PEREIRA, M.; ROLFE, B. F.; DINGLE, M.; HODGSON, P.D. Statistical
analysis of finite element modeling in sheet metal forming and springback analysis, Journal
of Materials Processing Technology, v. 203, p. 129-136, July 2008.
[2] AMERICAN SOCIETY FOR TESTING MATERIALS, ASTM E8 / E8M - 08 Standard
Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials. Disponível em:
<http://www.astm.org/Standards/E8.htm>. Acesso em: 01/04/2009.
Art.1
13
TRATAMENTOS DE SUPERFÍCIE DE FERRO REVESTIDO COM
GRAFITA COM LASER A FIBRA 1
1
I. K. L. Kam1*; M. S. F. Lima 2
Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, S. J. Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Fotônica, São José dos Campos – SP
*[email protected]
Palavras-chave: ferro, laser, tratamentos de superfície.
Introdução
A possibilidade de utilizar uma camada absorvente de carbono sobre as ligas ferrosas já é
conhecido há muito tempo. No início, era uma maneira de melhorar a absortividade das
superfícies, pois o carbono absorve muito mais o feixe que uma superfície de ferro [1]. Na
sequência, alguns autores como Vasconcelos et al. [2] mostraram que o carbono, presente na
superfície, poderia difundir, melhorando as propriedades tribológicas das peças. A maior parte
da literatura relacionada com o problema de tratamentos de superfície com laser apresenta
dois problemas. Primeiramente, não se sabe a quantidade de calor disponível para o
aquecimento da peça (absortividade). Segundo, como os autores já partem de ligas como
ferros fundidos e aços, a análise fica complicada do ponto de vista metalúrgico. Um material
altamente ligado faz com que a diluição e difusão do carbono sejam mais difíceis, portanto
não representa um problema facilmente compreensível. O presente estudo visa o
entendimento da transferência de calor e massa durante a irradiação de peças de ferro puro,
previamente revestidas de grafita, com vistas ao emprego da tecnologia para peças com
superfície endurecida.
Metodologia
O porta amostra foi especificamente desenhado para o presente trabalho, de forma a isolar
termicamente a amostra. O termopar é fixado à superfície inferior da amostra de modo a
monitorar a temperatura em função do tempo. A amostra é empregada como um calorímetro,
sendo a absortividade calculada através da Eq. 1.

m.C p Tmax  Ta 
(1)
P.t
onde β é a absorção média da amostra, m é a massa do CDP, Cp é o calor específico (em
J/kgK), Tmax é a temperatura máxima atingida pela amostra, Ta é a temperatura ambiente, P é a
potência nominal e Δt é o tempo de interação. O tempo de interação é estimado pelo tempo no
qual o feixe de laser atravessa a superfície plana da amostra.
Foram realizados experimentos de aquecimento no laser, conforme visto anteriormente, com
as condições dadas na Tabela 1. A velocidade e potência foram mantidas constantes, enquanto
a desfocalização (ΔZ), o número de passes e o deslocamento foram variados. O deslocamento
ΔY é o espaçamento entre uma linha e outra na superfície da amostra. A temperatura máxima
atingida no volume tratado (Tvol) em cada caso está discriminada na Tabela 2. A fim de poder
1 Projeto: CNPq 310761/2009-3 - Desenvolvimento de tecnologias de modificação superficial a laser de
ferramentas mecânicas.
14
determinar a temperatura máxima na superfície (Tmax), necessária para o cálculo da
absortividade (β) conforme a Equação 1, foram realizadas regressões lineares para a curva.
Estas regressões foram feitas para a parte do resfriamento, utilizando o conjunto de dados nos
quais o erro (R2) ficou entre 0.9 e 1.0.
Tabela 1. Condições experimentais.
Condição
A
B
C
D
V = 5 mm/s
P = 90 W
ΔZ (mm)
30
5
5
10
N. Passes
1
3
1
1
ΔY (mm)
1
1
0.5
0.5
I (W/cm2)
4.8x102
1.7x104
1.7x104
4.3x103
Tabela 2. Resultados das temperaturas máximas medida e estimada.
Temperaturas
Amostra A
Amostra B 1º Passe
Amostra B 2º Passe
Amostra B 3º Passe
Amostra C
Amostra D
Tvol/ºC
381
345
379
398
402
493
Tmax/ºC
584.0
666.0
640.3
676.8
*
923.9
β
39.7%
44.3%
42.1%
46.0%
*
30.3%
* Não foi possível medir.
Devido à aplicação de carbono sobre a superfície da peça, a absortividade do laser sobre a
peça com carbono é maior do que a peça sem aplicação de carbono. A absortividade medida
nos experimentos varia de 30.3% a 46.0%. Estas medidas estão sujeitas a um erro estatístico.
Conforme observado na literatura [3] para o comprimento de onda do laser a fibra
(λ = 1.07 μm) a absortividade do ferro é de cerca de 45%. Com o aumento do número de
passes, a absortividade foi diminuindo devido à diminuição do carbono disponível na
superfície. Embora tenhamos feitos três passes em uma amostra isolada termicamente, não
houve um aumento excessivo na temperatura. Aumentando de 345 ºC a 398 ºC do primeiro ao
terceiro passe, ou seja, é possível tratar a peça com vários passes sem que ocorram
transformações de fase na peça que está sendo tratada.
Conclusões
O presente método de endurecimento do ferro puro recoberto com grafita se mostrou eficiente
para a formação de fases duras na superfície do material. A temperatura atingida pelas
amostras não ultrapassou temperaturas nas quais ocorre reação, portanto o volume das peças
não sofreu modificações. Foi possível determinar a absortividade nas amostras processadas,
ficando entre 30 e 46% nos casos onde foi feito o estudo calorimétrico.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq pela bolsa de iniciação científica PIBIC-IEAv e à SUTEC
pelo auxílio no desenvolvimento e manufatura dos dispositivos.
Referências
[1] READY, J.F.. LIA Handbook of Laser Materials Processing. 1a. Ed. Florida (EUA):
Magnolia, Publishing, Inc., 2001, p. 223-261.
[2] VASCONCELOS, G. ; COSTA P.N.G. ; ANTUNES, E.F. Covering steel surfaces with
carbon black by CO2 laser beam. Materials Science Forum, v. 660-66, p. 249-252, 2010.
[3] ION, J, C, Laser Processing of Engineering Materials, Elsevier, 1a. ed. Oxford (USA):
Elsevier, 2005, 556p.
Art.2
15
ESTUDO DA EFICIÊNCIA DO CICLO PDE 1
L. C. Silva1*; J. B. R. Santos2; C. S. T. Marques3
Universidade Paulista – Engenharia Aeronáutica, São José dos Campos – SP
2
UNESP – Engenharia Mecânica, Guaratinguetá – SP
3
IEAv – Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP
*
[email protected] /[email protected]
1
Palavras-chave: PDE, detonação, impulso, acetileno, hidrogênio.
Introdução
O motor de detonação pulsada (PDE) é um dos novos dispositivos tecnológicos de propulsão
para regimes de voo subsônico, supersônico e hipersônico e uma das aplicações mais
promissoras está relacionada ao desenvolvimento do motor hipersônico scramjet (supersonic
combustion ramjet) [1,2]. A principal barreira para a obtenção de um PDE operacional é se
estabelecer uma detonação consistente e repetitiva na menor distância possível para minimizar
o peso do sistema.
A vantagem termodinâmica dos processos de detonação frente aos de deflagração, que resulta
em alto impulso específico numa ampla faixa de Mach de voo; a complexidade reduzida e o
baixo custo operacional comparado às turbinas [3], fazem com que os PDEs sejam de grande
interesse. No entanto, para tornar os PDEs reais, além de se estabelecer detonações
consistentes e repetitivas é importante determinar a eficiência e, consequentemente, o impulso
específico gerado, principalmente para números altos de Mach de voo (M ≥ 5).
O impulso específico é o critério comparativo dos propelentes ou sistemas propulsores, é
definido como a relação de empuxo produzido devido à massa de propelente. Quanto mais
alto o impulso específico, menor a massa de combustível necessária para qualquer nível
específico de força propulsora [4].
Neste trabalho, foram calculados os impulsos e empuxos de um PDE com misturas explosivas
de H2/ar e C2H4/ar para posterior associação com as medidas de emissão. Além disso,
estabeleceu-se a condição de detecção do radical OH* durante a expansão da onda de
detonação pela tubeira no sistema de detonação pulsada em estudo.
Eficiência do ciclo
O ciclo termodinâmico de um PDE é similar ao ciclo Humphrey (a volume constante), com
adição em eficiência. Pode ser considerado como a somatória do trabalho realizado nos ciclos
Otto, Disel e Brayton. A vantagem do ciclo Humphrey em relação aos demais consiste na
obtenção de melhores valores em eficiência térmica (ηth), que é uma proporção direta do
trabalho realizado (Wout) pela quantidade de calor consumida (q1) e em eficiência propulsiva
(ηp), que está diretamente correlacionada ao impulso específico (Isp). Por sua vez o produto
das eficiências propulsiva e térmica dá origem a eficiência global (η) [5].
Para o cálculo da eficiência térmica são considerados o calor específico à pressão constante
(cp), temperatura inicial (T1), mach de detonação (MCJ) e a relação de calores específicos (γ).
1
Projeto: Avaliação da Detonação Pulsada por Imagens de Emissão (CNPq); Estudo da Detonação Pulsada por
Técnicas Ópticas de Diagnóstico (FAPESP).
16
Metodologia
O sistema de detonação pulsada é composto por um sistema de ignição, um tubo de
detonação, uma tubeira e uma câmara de testes para ensaios, conforme apresentado na
Figura1.
500 mm
Vela automotiva
1520 mm
Sensores
Pitot
380 mm
320 mm
36 mm
82,44 mm
Sensores
Diafragma
combustível arvácuo
400 mm
vácuo
Lente
Osciloscópio
20.0
Circuito indutivo
Fonte de alta tensão
Unidade de Ignição
Botão de disparo
20.0
Fonte de alta tensão
.
Espectrômetro
Gerador de atraso
Figura 1. Sistema de detonação pulsada para experimentos “single shot”.
Execução dos testes de detonação da mistura H2/ar
Inicialmente, as câmaras de combustão e de teste, separadas por um diafragma de Mylar
aluminizado, foram evacuados. Após 1 hora, no mínimo, a 5 Pa, o tubo de detonação foi
preenchido com a mistura explosiva H2/ar a uma pressão inicial de 1 atm na condição
estequiométrica. A mistura explosiva foi homogeneizada por difusão molecular durante 1h.
Após a ignição da vela automotiva por um pulso de alta tensão (25 kV), inicia-se a detonação
da mistura. A onda de choque acoplada a frente de combustão rompe o diafragma e continua
se propagando até a câmara de testes.
Medidas de emissão do OH* na câmara de testes
Para as medidas de emissão do radical OH* utilizou-se o espectrômetro TRIAX 550 de 0,5m,
posicionando-o em frente à janela da câmara de testes, onde ocorre a expansão da onda de
detonação pela tubeira. Para alinhar o espectrômetro foi utilizado um laser de hélio/neônio,
com emissão no visível, em 632,8nm.
O comprimento de onda e a largura espectral foram selecionados pelo posicionamento da
grade do espectrômetro, através do software do equipamento. A luz emitida pela onda de
detonação foi coletada através de uma lente de sílica fundida com abertura relativa de f/3.7 e
comprimento focal de 250 mm. Os sinais de emissão em função do tempo, detectados pela
fotomultiplicadora instalada no espectrômetro, foram registrados por um osciloscópio de 500
MHz (Yokogawa, DL7450). Para as medidas de emissão do OH*, o espectrômetro foi
centrado em 306,36 nm.
17
Resultados e Discussões
Cálculo do Impulso Específico
O modelo para cálculo do impulso e do empuxo foi proposto por Cooper e Shepherd [6],
baseados em considerações de dinâmica de gás elementar. Assume-se fluxo unidimensional e
adiabático em um tubo sem obstáculos fechado em uma extremidade e aberto em outra. O
impulso específico é calculado considerando o volume de controle, o qual requer apenas o
conhecimento da evolução da pressão na superfície de empuxo.
Cálculos para o impulso específico, frequência máxima e empuxo, conforme as equações da
Tabela 1, para diferentes razões de equivalência e pressões iniciais são apresentados nas
Tabelas 2 e 3. Também foram plotados gráficos mostrando a variação de impulso especifico
com base na mistura e no combustível para diferentes razões de equivalência e para diferentes
combustíveis (Figuras 2 e 3).
Tabela 1. Equações para o cálculo dos impulsos específico e dos empuxos.
Isp - impulso específico com base na mistura (s)
XF - fração mássica de combustível (kg / kg)
I - impulso (N s)
V - volume de gás no tubo de detonação (m³)
Mf - massa inicial de combustível (kg)
- vazão mássica do gás (kg/s)
g - aceleração da gravidade (m/s²)
M - massa inicial da mistura combustível (kg)
f máx – frequência máxima (Hz)
- velocidade do gás na saída da tubeira (m/s)
Ispf - impulso específico c/ base no combustível (s) Tmáx - Empuxo Máximo do PDE (N)
ρ1 - densidade inicial da mistura (kg/m³)
tciclo* - tempo do ciclo do PDE (s)
tDDT - tempo de transição de deflagração para detonação (s)
Tabela 2. Impulsos para a mistura H2/ar (AR=5,2 e AR=11). AR é a razão de áreas da tubeira.
P1
[atm]
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5

0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Fuel
[%]
Ux
[m/s]
1,73
2,29
2,85
3,40
3,95
1,73
2,29
2,85
3,40
3,95
1,73
2,29
2,85
3,40
3,95
2147,9
2351,6
2499,6
2574,8
2621,1
2145,7
2355,6
2510,3
2583,8
2627,6
2145,8
2357,4
2516,1
2588,2
2630,5
Mistura H2 / ar
AR = 5,2
Isp
t*ciclo fmáx
[s]
[s]
[Hz]
219,0
239,8
254,9
262,6
267,3
218,8
240,2
256,0
263,5
267,9
218,8
240,4
256,6
263,9
268,2
12,60
11,48
10,79
10,48
10,30
12,62
11,46
10,75
10,45
10,28
12,62
11,46
10,72
10,43
10,27
79,35
87,10
92,65
95,42
97,05
79,26
87,23
93,04
95,74
97,26
79,26
87,28
93,25
95,89
97,34
Tmáx
[N]
Ux
[m/s]
126,43
143,21
153,22
154,34
152,20
252,33
287,33
309,04
310,80
305,82
378,49
431,59
465,67
467,73
459,65
2308,1
2542,0
2711,2
2791,4
2837,7
2307,0
2543,5
2720,1
2797,7
2841,1
2306,4
2544,0
2724,9
2800,4
2842,1
T=298K
AR = 11
Isp
t*ciclo
fmáx
Tmáx
[s]
[s]
[Hz]
[N]
235,4
259,2
276,5
284,6
289,4
235,2
259,4
277,4
285,3
289,7
235,2
259,4
277,9
285,6
289,8
11,85
10,74
10,07
9,78
9,63
11,86
10,74
10,04
9,76
9,62
11,86
10,74
10,02
9,75
9,62
84,37
93,07
99,28
102,21
103,83
84,33
93,13
99,62
102,45
103,95
84,30
93,14
99,80
102,55
103,98
144,5
165,4
178,1
179,2
176,3
288,6
331,2
358,5
360,1
353,4
432,7
497,0
539,7
541,2
530,5
18
Tabela 3. Impulsos para a mistura C2H4/ar (AR=5,2 e AR=11). AR é a razão de áreas da
tubeira.
P1
[atm]
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
270

0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Fuel
[%]
Ux
[m/s]
3,92
5,16
6,37
7,55
8,70
3,92
5,16
6,37
7,55
8,70
3,92
5,16
6,37
7,55
8,70
2030,8
2207,3
2306,8
2353,0
2358,1
2027,6
2213,2
2318,6
2363,2
2361,9
2027,2
2216,1
2325,3
2368,5
2363,3
Mistura C2H4 / ar
AR = 5,2
Isp
t*ciclo fmáx
[s]
[s]
[Hz]
207,1
225,1
235,2
239,9
240,5
206,8
225,7
236,4
241,0
240,8
206,7
226,0
237,1
241,5
241,0
13,32
12,22
11,69
11,46
11,44
13,34
12,20
11,63
11,41
11,43
13,35
12,18
11,60
11,39
11,42
75,06
81,80
85,56
87,27
87,40
74,94
82,00
85,99
87,64
87,51
74,92
82,10
86,23
87,82
87,54
Tmáx
[N]
Ux
[m/s]
139,0
164,6
179,8
187,0
187,6
277,0
330,8
363,3
377,2
376,3
415,4
497,4
548,0
568,3
565,1
2181,3
2389,5
2502,9
2550,8
2548,0
2178,8
2393,4
2513,8
2559,2
2548,5
2177,5
2395,2
2519,9
2563,4
2548,0
T=298K
AR = 11
Isp
t*ciclo
fmáx
Tmáx
[s]
[s]
[Hz]
[N]
222,4
243,7
255,2
260,1
259,8
222,2
244,1
256,3
261,0
259,9
222,0
244,2
257,0
261,4
259,8
12,53
11,43
10,90
10,70
10,71
12,55
11,41
10,86
10,66
10,71
12,56
11,40
10,83
10,64
10,71
79,79
87,52
91,72
93,49
93,37
79,69
87,66
92,12
93,79
93,38
79,64
87,72
92,34
93,95
93,36
158,7
190,6
209,1
217,2
216,6
316,6
382,4
421,9
437,2
433,3
474,3
574,5
636,0
658,0
649,7
290
H2/ar
AR=5,2
280
H2/ar
AR=11
260
270
260
Isp [s]
Isp [s]
250
240
250
240
230
220
PINICIAL= 0,5 atm
PINICIAL= 1,0 atm
PINICIAL= 1,5 atm
230
1,2
210
210
0,6
0,8
1,0
1,4
220
0,6
Razão de equivalência [ ]
245
240
PINICIAL= 0,5 atm
PINICIAL= 1,0 atm
PINICIAL= 1,5 atm
0,8
1,0
1,2
Razão de equivalência []
1,4
265
C2H4/ar
AR=5,2
260
255
235
C2H4/ar
AR=11
250
230
Isp [s]
Isp [s]
245
225
220
240
235
215
230
PINICIAL= 0,5 atm
PINICIAL= 1,0 atm
PINICIAL= 1,5 atm
210
205
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
PINICIAL= 0,5 atm
PINICIAL= 1,0 atm
PINICIAL= 1,5 atm
225
220
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Figura 2. Comparação dos impulsos específicos com base na mistura para detonações de H2/ar
e C2H4 /ar com expansão por tubeiras divergentes com AR=5,2 e AR=11.
19
14000
13000
H2/ar
AR=5,2
12000
H2/ar
AR=11
13000
12000
11000
11000
Ispf [s]
Ispf [s]
10000
10000
9000
9000
8000
8000
PINICIAL=0,5 atm
PINICIAL=1,0 atm
PINICIAL=1,5 atm
7000
7000
6000
0,6
0,8
PINICIAL= 0,5 atm
PINICIAL= 1,0 atm
PINICIAL= 1,5 atm
1,0
1,2
1,4
6000
0,6
5500
0,8
1,0
1,2
1,4
6000
C2H4/ar
AR=5,2
5000
C2H4 / ar
AR=11
5500
5000
4500
Ispf [s]
4500
Ispf [s]
4000
4000
3500
3500
PINICIAL=0,5 atm
PINICIAL=1,0 atm
PINICIAL=1,5 atm
3000
PINICIAL=0,5 atm
PINICIAL=1,0 atm
PINICIAL=1,5 atm
3000
2500
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Razão de equivalencia []
1,4
Figura 3. Comparação dos impulsos específicos com base no combustível para detonações de
H2/ar e C2H4 /ar com expansão por tubeiras divergentes com AR=5,2 e AR=11.
O modelo analítico revelou comportamento satisfatório, segundo a literatura [5], para
diferentes razões de equivalência e para ambas as misturas combustíveis. Faixas de impulso
semelhantes são observadas entre as razões 1,0; 1,2 e 1,4. O empuxo máximo fornece valores
conforme a frequência e o tempo de ciclo, com um acréscimo gradativo, diretamente ligado
ao impulso obtido para ambas as misturas.
Os valores de impulso obtidos são representativos de um único tubo e para um único ciclo;
bem como o empuxo. Porém, fornecem valores ideais escalonáveis, isto é, os valores de
empuxo são diretamente proporcionais à quantidade de tubos a ser aplicada.
Emissão do OH* com resolução temporal para misturas de H2/ar
A Figura 4 mostra a emissão luminosa com resolução temporal detectada para a faixa
espectral referente à produção da espécie OH* (306,4 nm e ~4,05 eV) imediatamente na saída
da tubeira. A integração da área sob a curva de emissão pode ser correlacionada com o
impulso específico, visto que a produção do OH* numa detonação é predominantemente
térmica (OH + H => OH* + M), e, portanto, dependente diretamente da pressão e temperatura
do sistema reacional.
20
Figura 4. Emissão de OH* na região ultravioleta para a detonação de mistura estequiométrica
de H2/ar a 1 atm.
Conclusões
Para a mistura H2/ar foi obtida uma faixa de impulso específico de ~220-270 s (AR=5,2) e
~235-290 s (AR=11), para C2H4 de ~210-240 s (AR=5,2) e ~220-260 s (AR=11). Para ambas
as misturas a variação com a pressão inicial é desprezível. As faixas de impulso específico
obtidas representam um motor ideal de ciclo único com um tubo.
Para a implementação de um motor real seria necessário considerar a eficiência da iniciação e
propagação da detonação e o efeito da frequência do ciclo resultante de um sistema
alimentado por válvulas mecânicas ou de gás-dinâmica.
Agradecimentos
Ao CNPq e à FAPESP pelo financiamento da bolsa PIBIC e dos materiais e equipamentos.
Referências
[1] POVINELLI, L. A.; Pulse detonation engines for high speed flight. Nasa report TM2002-211908, p1-8, 2002.
[2] FALEPIM, F.; BOUCHAUD, D.; FORRAT, B.; DESBORDES, D.; DANIAU, E., Pulse
detonation engine possible application to low cost tactical missile and to space laucher. Proc.
37th AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference, Salt Lake City, 37 p, 2001.
[3] KAILASANATH, K., Recent developments in the research on pulse detonation engines.
AIAA J., 41, p145-159. 2003.
[4] MATTINGLY, J.D.; OHAIN, H. Elements of propulsion: gas turbines and rockets.
Reston, VA: AIAA (Education Series), p 867, 2006.
[5] WU, Y.; MA, F.; YANG, V. System performance and thermodynamic cycle analysis of
airbreathing pulse detonation engines. Journal of propulsion and power, v. 19, n. 4, p.556567, jul-ago. 2003.
[6] COOPER, M.; SHEPHERD, J., The effect of transient nozzle flow on detonation tube
impulse. Proc. 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint propulsion conference and exhibit,
Fort Lauderdale, 40, p 22, 2004.
Art.3
21
ANÁLISE DE PARÂMETROS EM MOAGEM DE ALTA ENERGIA 1
J. C. Baesso 1; L. T. Miranda2; A. J. Damião 3*
Universidade de São Paulo – Campus Lorena – SP
2
Universidade Estadual de Campinas – Campinas - SP
3
*[email protected]
1
Palavras-chave: carbono vítreo, granulometria, moagem.
Introdução
O carbono vítreo (CV) é um material com características únicas e com propriedades
específicas, o que permite aplicações em diferentes áreas. Devido à sua baixa massa
específica, boas propriedades térmicas e elétricas, além de elevada inércia química, o CV vem
sendo utilizado como cadinhos para usos especiais, substratos para espelhos de primeira
superfície, válvulas cardíacas, e eletrodos, entre outros. A rota normal para obtenção do CV é
a polimerização da resina furfurílica catalisada, que é posteriormente carbonizada a 1200 ºC,
tornando-se carbono vítreo monolítico (CVM). Nesse projeto, utiliza-se uma rota alternativa,
onde as amostras obtidas são originadas do pó de CVM. No entanto, esse processo vem
exigindo uma otimização intensa de alguns parâmetros de processamento, tais como tamanho
de grão e eficiência no peneiramento e moagem.
A moagem de alta energia é um meio para se obter misturas homogêneas além de produzir
também pós ultrafinos de materiais. As variáveis processuais são os tipos de moinhos, a
velocidade (RPM), o tempo, a distribuição dos tamanhos e dos tipos de esferas, a relação
entre corpos de moagem e os pós, a atmosfera de moagem, os aditivos e a temperatura do
moinho.
No início do processo de moagem, as partículas frágeis são fragmentadas e as partículas
dúcteis tornam-se achatadas, por um processo de microforjamento. As partículas achatadas
sofrem soldagem, enquanto as partículas frágeis são distribuídas na superfície do material
mais mole [1]. Com isso, há um aumento do tamanho de partícula. As partículas também
sofrem fraturas, as quais tendem a refiná-las. Em um segundo estágio do processo, a fratura
torna-se mais comum que a soldagem das partículas. Com o decorrer da moagem, ambos os
fenômenos, soldagem e fratura, entram em equilíbrio e o tamanho de partícula segue
praticamente constante [2].
As análises realizadas neste trabalho tiveram como objetivo avaliar quais os melhores
parâmetros de moagem de alta energia, em um moinho planetário. Os parâmetros analisados
foram a velocidade de rotação e o tempo de moagem.
Metodologia
Foram utilizados cacos de carbono vítreo monolítico (CVM) que trincaram ou quebraram
durante o processo de carbonização, como podem ser vistos na Fig.1. Estas quebras decorrem
das perdas de volatéis que ocorrem durante a carbonização da resina furfurílica.
1
Projeto: Recarbonização de carbono vítreo para aplicações embarcadas
22
Figura 1: Cacos do CVM utilizados neste trabalho
No projeto, os cacos de CVM foram primeiramente triturados em moinho rotativo (Fig.2) a 91
rpm e, após classificação granulométrica por um sistema de peneiras (Fig.3), foram moídos
em moinho planetário de alta energia para obtenção de um pó mais fino. No moinho de alta
energia, foram feitos vários experimentos, variando-se primeiramente a velocidade angular. A
partir disso, determinou-se a velocidade ótima e, então, variou-se o tempo de moagem.
Figura 2: Moinho rotativo
Figura 3: Moinho planetário de alta energia
Para identificar a eficiência do processo de moagem, o pó obtido foi peneirado em peneiras
com abertura de 106, 75, 63, 53, 38, 25, 20 µm em base vibratória. O laboratório não possui
peneiras com aberturas menores que 20 µm devido ao seu alto custo. O pó obtido após o
peneiramento foi pesado em balança semi-analítica para análise granulométrica.
23
Figura 4: Base vibratória para peneiras
Figura 5: Peneiras
O primeiro parâmetro analisado foi a velocidade de rotação, que variou de 100 a 600 rpm, e
para isso fixou-se o tempo de 10 minutos na moagem utilizando 3 esferas de 30 mm de
diâmetro e 10 de 20 mm de diâmetro, todas de aço, do mesmo material do moinho. Após a
moagem, o pó foi peneirado no conjunto de peneiras por 30 minutos e os resultados estão
apresentados na figura 6:
24
100 rpm
200 rpm
300 rpm
400 rpm
500 rpm
600 rpm
Figura 6: Gráficos de peneiramento
As 3 últimas análises foram realizadas com a massa de pó que ficou retida na peneira de 106
µm das 3 análises anteriores.
Analisando dados das figuras anteriores observa-se que, a curva que representa a moagem
mais eficiente é aquela em que a velocidade angular foi de 600 rpm, pois a maior quantidade
de massa ficou retida em uma peneira de granulometria mais baixa, comparada com as outras
velocidades. A partir disto, utilizando-se essa velocidade, variou-se o tempo de moagem,
entre 10 e 60 minutos. Os gráficos de peneiramento encontram-se na Figura 7.
25
10 minutos
20 minutos
30 minutos
40 minutos
50 minutos
60 minutos
Figura 7: Gráficos de peneiramento
O melhor resultado observado foi o de 10 minutos de moagem, isso provavelmente se deve ao
fato de o carbono vítreo se aglomerar muito facilmente, então para tempos de moagem
maiores que 10 minutos, a 600 rpm, essa aglomeração ocorre, impedindo que as partículas se
quebrem.
Vale ressaltar que esse estudo varia de acordo com o material utilizado e com as suas
propriedades, por isso o gráfico de 600 rpm da Figura 6 e o de 10 minutos da Figura 7 não são
idênticos.
Conclusões
A partir da análise dos gráficos de peneiramento obtidos de diferentes parâmetros, o que mais
se aproxima da curva ideal de peneiramento é o de rotação de 600 rpm e 10 minutos. Então se
conclui que para o carbono vítreo esses parâmetros são os melhores dentro das demais
condições utilizadas.
26
Agradecimentos
Ao apoio financeiro do CNPq Projetos 559925/2010-7, 181299/2012-7 e 181300/2012-5. Ao
IEAv pela infra-estrutura e oportunidade. Ao Sargento Joely Edson Ferraz pelo apoio técnico.
Referências
[1] SURYANARAYANA, C. Mechanical alloying and milling, Progress in Material
Science, v. 46, 2001.
[2] NOWOSIELSKI, R., PILARCSYK, W. Structure and properties of Fe-6.67%C alloy
obtained by mechanical alloying, Journal of Materials Processing Technology, v.162-163,
2005.
Art.4
27
INTERROGADOR ÓPTICO DE GRADES DE BRAGG 1
1
T. A. F. Ganga1; M. M. de Carvalho2*
Universidade Federal de São Paulo – Departamento de Ciência e Tecnologia, São José dos
Campos - SP
2
Instituto de Estudos Avançados –Divisão EFO-S, São José dos Campos – SP
*
[email protected]
Palavras-chave: acelerômetro angular; fibra óptica; interrogador óptico; FBG; grades de
Bragg;
Introdução
A concepção de um interrogador óptico mais prático e eficiente é de muita importância no
desenvolvimento de sensores inerciais para aplicação espacial, sendo que, propõe-se a
montagem de um interrogador óptico de grades de Bragg em fibras óptica, mais prático do
que o interrogador que é usando atualmente, o que torna possível uma maior agilidade aos
trabalhos envolvendo o acelerômetro angular de um eixo.
O interrogador óptico, cuja montagem é proposta nesse trabalho, possui como uma de suas
aplicações principais a integração em um acelerômetro angular, que consiste em um sensor
capaz de mensurar a aceleração angular de um sistema físico, sendo este capaz de fornecer
uma grandeza que auxilia a precisão na integração dos sistemas de navegação inercial.
Com o auxílio de fibras ópticas, que em geral possuem baixa perda de sinal, são leves e
imunes a interferências eletromagnéticas, podem-se obter excelentes sensores, que são
chamados de sensores ópticos e, dentre esses sensores, destacam-se os sensores a grade de
Bragg.
As grades de Bragg consistem em uma modulação periódica no índice de refração do núcleo
da fibra óptica, fazendo com que está se torne um sensor de deformação de alta sensibilidade.
Este trabalho encontra-se inserido na área de optoeletrônica e possui como principais
objetivos a proposição e a montagem de um interrogador óptico de grades de Bragg em fibras
ópticas em uma estrutura modular.
Metodologia
Com o auxílio de um Circulador Óptico e de um Acoplador 50/50, foi proposto o sistema
apresentado na Figura 1.
Esse sistema é capaz de interrogar duas grades de Bragg independentes de forma que, ao se
injetar luz em uma das Fibras inscrita com Grades de Bragg, parte do sinal refletido seja
amostrado e o restante siga para a segunda fibra inscrita com Grades de Bragg, amostrando-se
então o sinal resultante da reflexão da segunda fibra.
1
Projeto:
28
Figura 5. Interrogador Óptico Proposto.
O interrogador óptico proposto na Figura 1 foi projetado para ser posicionado em uma placa
retangular de alumínio de 17 cm por 6 cm conforme Figura 2, de forma que haja uma emenda
entre a Porta 3 do Circulador Óptico e a Porta 1 do Acoplador 50/50.
Figura 6. Posicionamento dos Componentes e Fibras em uma Placa Retangular.
C representa o Circulador Óptico e A representa o Acoplador 50/50.
Seguindo o modelo da Figura 1, C1, C2, e C3 representam respectivamente as portas 1, 2 e 3
do Circulador Óptico, assim como A1, A2, A3 e A4 representam respectivamente as portas 1,
2, 3 e 4 do Acoplador 50/50.
Propõe-se um rebaixamento na placa, conforme a Figura 3, de forma que as fibras ópticas
provenientes do Acoplador e do Circulador Óptico fiquem inseridas no rebaixamento,
economizando espaço e organizando as fibras ópticas.
29
Figura 7. Placa de Alumínio.
Como a placa de alumínio ainda não se encontra pronta, com base no método proposto neste
trabalho é possível iniciar a montagem de um protótipo do interrogador óptico, conforme se
observa na Figura 4.
Figura 8. Montagem do Interrogador Óptico
Previamente à montagem do interrogador óptico, realizou-se um estudo experimental do
comportamento do espectro de reflexão de uma grade de Bragg quando a mesma é submetida
a tração/compressão.
Quando a fibra é esticada, o espectro de reflexão se comporta conforme a Figura 5:
30
(a) Antes da tração
(b) Após a tração
Figura 9. Espectros de Reflexão (a) antes da tração aplicada na fibra e (b) após a tração
aplicada na fibra.
Quando a fibra é contraída, o espectro de reflexão se comporta conforme a Figura 6:
(a) Antes da compressão
(b) Após a compressão
Figura 10. Espectros de Reflexão (a) antes da compressão aplicada na fibra e (b) após a
compressão aplicada na fibra.
Observa-se então que se a grade de Bragg é esticada, o espectro de reflexão se desloca para a
direita e que se a grade de Bragg é comprimida o espectro de reflexão se desloca para a
esquerda.
Conclusões
Através dos conceitos estudados acerca das grades de Bragg, pôde-se concluir que ao
inscrever uma grade de Bragg em uma fibra óptica, o resultado da alteração gerada pela
mesma, retorna um excelente sensor de deformação, através do efeito fotoelástico.
Com o auxílio de um interrogador óptico de grade de Bragg em fibras ópticas é possível
medir o espectro de reflexão proveniente da fibra deformada.
Com base nesse conhecimento, e com o auxílio dos componentes ópticos disponíveis, pôde-se
propor as esquematizações nas Figuras 1 e 2 para o interrogador óptico.
A placa de alumínio que torna possível a montagem do sistema, ainda não se encontra pronta,
porém é possível visualizar a montagem de um protótipo do interrogador óptico na Figura 4.
Deste modo se pode concluir que devido ao rebaixamento da placa de alumínio, conforme se
observa na Figura 3, há realmente uma economia de espaço, resultando nessa forma uma
31
melhor organização no posicionamento das fibras ópticas. Demonstrando assim, um
interrogador óptico bastante eficiente.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa de estudos de iniciação cientifica (PIBIC), ao IEAv pelo espaço e a
pesquisadora Carmem Lúcia Barbosa que muito colaborou para o andamento do projeto.
Referências
[1] Training Publications Division. Sincros, Servomecanismos E Fundamentos de Giros.
[2] KILIAN, Christopher T. Modern Control Technology: Components and Systems,
Capítulo 6, 2a edição, Delmar Thomson Learning, 2000.
[3] Waveguides: http://www.ece.msstate.edu/~donohoe/ece3323waveguides.pdf
[4] Ulaby, F. T.; Eletromagnetismo para Engenheiros. 2007. 334 p.
[5] Meng H.; Shen, W.; Zhang, G.; Tan, C.; Huang, X;. Fiber Bragg grating-based fiber
sensor for simultaneous measurement of refractive index and temperature Original
Research Article. Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 150, Issue 1, 21 de Setembro
de 2010, Pag. 226-229.
[6] Basumallick N.; Chatterjee I.; Biswas P.; Dasgupta K.; Bandyopadhyay S.;. Fiber Bragg
grating accelerometer with enhanced sensitivity Original Research Article. Sensors and
Actuators A: Physical, Volume 173, Issue 1, Janeiro de 2012, Pag. 108-115.
[7] LoPresti P. G.; Jali D.; Shrock C.;. Differential strain measurement using multiplexed
fiber Bragg grating sensors Original Research Article ISA Transactions, Volume 43,
Issue 2, Abril de 2004, Pag. 195-204.
[8] Storgaard-Larsen T.; Bouwstra, S.; Leistiko O.;. Opto-mechanical accelerometer based
on strain sensing by a Bragg grating in a planar waveguide Original Research Article
Sensors and Actuators A: Physical, Volume 52, Issues 1–3, Março de 1996, Pag. 25-32.
[9] Othonos, A.; Kalli, K.; Pureur, D.; Mugnier, A.; Fibre Bragg Gratings.
[10] Ferraro, P.; Natale, G.;. On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strains
sensor for geodynamical monitoring. Optics and Lasers Engineering. Volume 37. 2002.
Pag. 115-130.
[11] Cusano, A.; Cutolo, A.; Nasser, J.; Giordano, M.; Calabrò, A.;. Dynamic strain
measurements by fibre Bragg grating sensor. Sensors and Actuators A. Volume 110.
2004. Pag. 276-281.
[12] M. Carvalho; R. Cazo; Acelerômetro angular opto-mecânico baseado em grades de
Bragg a fibra óptica. São José dos Campos: IEAv, 2012. Caderno de atividades WAI 2012,
Vol. 5, pag. 68.
Art.5
32
AVALIAÇÃO DA MASSA ESPECÍFICA E DA POROSIDADE TOTAL
DO CARBONO VÍTREO COMPACTADO UTILIZANDO O PRINCÍPIO
DE ARQUIMEDES E O IMAGE J
1
F. Nascimento1*; A. J. Damião1
Divisão de Fotônica, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP, Brasil
*[email protected]
Palavras-chave: Substratos; Moinho; Poros.
Introdução
O carbono vítreo (CV) é um material rígido, de baixa massa específica e de baixo coeficiente
de dilatação térmica, características muito apropriadas para sua utilização como substratos em
aplicações ópticas.
É constituído de carbono puro e apresenta caráter isotrópico. Possui esta denominação em
virtude de seu brilho e de sua fratura conchoidal, semelhante aos materiais vítreos. Pode estar
na forma monolítica (CVM), onde apresenta reduzida macroporosidade e alguns microporos
ou na forma reticulada (CVR), como espumas ricas em poros de transporte [1].
Nesse projeto, o carbono vítreo monolítico é parcialmente carbonizado, cominuído em
moinho de bolas e de alta energia e peneirado para classificação granulométrica. O pó é
misturado à resina furfurílica e compactado através da prensagem uniaxial e/ou isostática,
sendo então carbonizado a 1200 ºC. As amostras de carbono vítreo compactadas foram
avaliadas para verificação da massa específica e da porosidade total. A porosidade superficial
influencia diretamente na rugosidade superficial das amostras, quanto mais porosa a amostra,
mais rugosa se torna sua superfície, dificultando a deposição de filmes.
O Princípio de Arquimedes é um método muito utilizado na determinação de densidade de
sólidos, cujo enunciado diz que todo corpo mergulhado num líquido está sujeito a uma força
denominada empuxo, que atua debaixo para cima e é igual a massa do volume do líquido
deslocado [2]. Também por este método, é possível determinar a porosidade total num sólido.
Esse trabalho tem por objetivo avaliar a massa específica e a porosidade total de amostras de
carbono vítreo compactado através de ensaio de densidade de sólidos, baseando-se no
Princípio de Arquimedes e utilizando o software Image J.
Metodologia
Na obtenção de amostras compactadas, a matéria-prima utilizada foi o pó proveniente da
moagem de peças parcialmente carbonizadas a 600 ºC e também de peças que, durante o
tratamento térmico de carbonização, sofreram trincas e tornaram-se quebradiças. Os motivos
das quebras são, dentre outros: resina com excesso de umidade e peças com espessura
superior a 7 mm. As partes das peças foram reduzidas por martelamento e trituradas a seco em
moinho de bolas, para obtenção do pó. A seguir, este pó foi cominuído em moinho de alta
energia (Retsch, PM 100 CM). Os moinhos estão ilustrados na Figura 1.
33
(a)
(b)
(c)
Figura 1. (a) Moinho de bolas, (b) Moinho de alta energia e (c) Vista interna do
recipiente do moinho de alta energia.
O pó foi classificado em sete frações granulométricas, por separação com um conjunto de
peneiras Retsch, de acordo com a norma ISO 3310/1, com as granulometrias: 63 μm (ASTM
230), 53 μm (ASTM 270), 45 μm (ASTM 325), 38 μm (ASTM 400), 25 μm (ASTM 500), 20
μm (ASTM 635) e PAN. Durante 10 minutos, os pós foram peneirados no Agitador de
Peneiras Solotest, modelo “T” a 3600 vpm.
Foi utilizada uma mistura de tamanhos de partículas nas proporções indicadas na Tabela 1. As
partículas foram pesadas nas devidas porcentagens, tendo sido utilizada a maior quantidade de
massa para o maior tamanho de partícula. A esta mistura de pós foi acrescentado 0,5% m/m
de grafite, como lubrificante sólido. Os pós foram misturados e encaminhados ao moinho de
bolas para homogeneização por 10 minutos a 100 rpm. A esta mistura foi adicionada 30%
(m/m) de resina furfurílica catalisada (ligante), que foi preparada conforme procedimento para
carbono vítreo monolítico tradicional, ou seja, a resina na temperatura ambiente foi catalisada
com 2% de ácido p-toluenosulfônico (60% m/v) e centrifugada a 3000 rpm por 40 minutos.
Essa mistura de resina catalisada e pó permaneceram em agitação por 1 h no moinho de bolas
a 100 rpm.
Tabela 1. Quantidade de pó de carbono vítreo na amostra de CV compactado de
acordo com a sua granulometria.
CV Compactado
Granulometria (μm)
Concentração de pó de CV (%)
Grupo 1
45
38
25
20
60
20
15
5
Depois de garantida a homogeneização do pó, foi iniciada a prensagem para conformação das
amostras. A massa para amostras de 8 mm de altura foi pesada e vertida em matriz metálica
de aço 4340 temperado, com diâmetro de 20 mm, lubrificada com estearina. A prensagem foi
realizada em prensa hidráulica uniaxial (EMIG GIACCIO; PHS 15 ton), a uma carga de 6 ton
(pressão de 294 MPa). Após a compactação, a massa dessas amostras foi pesada em balança
semi-analítica e a espessura, medida com um paquímetro (MITUTOYO, resolução de 0,02
mm).
Para realização da prensagem isostática, as amostras foram encamisadas em invólucro de
látex e o ar retirado por bomba de vácuo (MARCONI, Modelo MA059, 131B). Em seguida,
34
foram levadas para a prensagem isostática (PAUL WEBBER, Modelo TYPE KIP100E), à
pressão de 300 MPa, em câmara de óleo.
Parte das amostras foi carbonizada em forno tubular a 1200 ºC, utilizando atmosfera inerte de
N2. Estas amostras foram utilizadas para definição da Massa Específica Aparente, sendo
utilizada uma amostra prensada na prensa isostática, a verde e carbonizada, utilizando o
Ensaio de Densidade de Sólidos, tendo como base o Princípio de Arquimedes.
As amostras a verde e a carbonizada foram pesadas (Ps) e inseridas em querosene por 1h, sob
sistema de bombeamento a vácuo. Decorrido este tempo, as amostras foram pesadas imersas
(PI) em banho de querosene, sobre um suporte com contrapeso e posteriormente, secas em
tecido umedecido com água e novamente pesadas (Pu). A Figura 2 ilustra esta etapa.
(a)
(b)
(c)
Figura 2. (a) Amostras em banho de querosene, (b) Detalhe para o escape do ar e (c)
Esquema para pesagem da amostra imersa.
As amostras restantes foram encaminhadas para polimento, tendo sua superfície preparada
para análise por microscopia óptica (MO), utilizando o Microscópio Óptico Reichert Polyvar
2.
A partir das fotomicrografias obtidas por MO foi possível determinar a distribuição dos poros
existentes nos substratos de CV compactado, com o auxílio do software analisador de
imagens, o Image J. Foram fotomicrografadas cinco regiões diferentes de uma mesma
amostra. Este programa permite a análise de poros de uma determinada área selecionada, e
sua contagem, através das áreas claras e escuras, determinando suas dimensões. Os resultados
foram tratados matematicamente a fim de caracterizar o tamanho médio dos poros
encontrados na amostra e a quantidade de poros na referida área.
Inicialmente, foi calculada a massa a pesar para obtenção de amostras com 8 mm de altura,
visto que no material obtido por este processo não há a limitação de espessura que há no CV
obtido pelo processo tradicional. A pressão de 294 MPa para a prensagem uniaxial foi
considerada ideal porque a amostra apresentou boa resistência mecânica a verde. Contudo, a
distribuição da pressão aplicada à massa contida em matriz rígida não pode ser considerada
uniforme, sendo necessária para tanto a prensagem isostática. A prensagem isostática admite
densidade uniforme através de todo o compactado, porque o atrito entre as paredes do
invólucro e a massa de pó fica reduzido. A densidade média das amostras prensadas
uniaxialmente esteve em torno de 1,18 g/cm3 e das amostras prensadas na isostática, em torno
de 1,23 g/cm3. Após a carbonização nenhuma amostra compactada sofreu trinca ou fratura. A
redução mássica foi de 23%.
35
O teste de Massa Específica Aparente foi realizado com uma amostra carbonizada (Carb) e
outra não carbonizada (NCarb) de CV compactado. Os cálculos foram descritos conforme as
Equações 1, 2, 3, 4, 5 e 6 [3], seguindo-se o Princípio de Arquimedes. Os valores encontrados
estão descritos na Tabela 2 e na Figura 3. Por estes cálculos foi possível encontrar valores de
porosidade total dos corpos de prova analisados.
Absorção Aparente (AA%) =
(1)
Porosidade Aparente (PA%) =
(2)
Densidade Aparente (Da) =
(3)
Volume Aparente (Db) =
(4)
Porosidade Total (PT%) =
(5)
Porosidade Fechada (PF%):
(6)
A porosidade total foi maior nas amostras não carbonizadas, como esperado. Na
carbonização, a porosidade foi reduzida em aproximadamente 12%.
Tabela 2. Porosidade Aparente - Valores encontrados para as amostras ensaiadas
Amostra
Ps
(g)
PI
(g)
Pμ
(g)
PA
(%)
AA
(%)
CV-Carb
CV-NCarb
2,208
2,958
1,043
1,268
2,440
3,197
16,607
12,390
9,508
7,476
DA
Db
3
(g/cm ) (g/cm3)
1,022
1,129
1,362
1,293
PT
(%)
PF
(%)
17,812
20,261
1,205
7,871
* CV-Carb: representa amostra de CV compactado carbonizada e
CV-NCarb: representa amostra de CV compactado não carbonizada.
Figura 3. Massa Específica Aparente e Porosidade Total encontrada para amostras de CV
compactadas utilizando como base, o Princípio de Arquimedes.
36
As imagens da Figura 4 se referem à região central de uma amostra de CV compactado
analisada através do Microscópio Óptico em diferentes resoluções, sendo (a) para 200 X e (b)
para 500 X. As regiões escuras representam os poros e as regiões claras o carbono vítreo. Ao
analisar as imagens feitas pelo MO foi possível notar poros de diferentes tamanhos no CV
compactado, sendo alguns da ordem de 50 μm.
(a)
(b)
Figura 4. Fotomicrografias em MO do CV compactado: (a) a 100 μm e (b) a 50 μm.
Os resultados típicos encontrados na caracterização do tamanho médio dos poros e tratados
matematicamente são apresentados na Figura 5.
Figura5. Média da quantidade de poros analisados pelo software Image J, da área fracionada e
do diâmetro de Ferret para amostra de CV compactado.
Conclusões
O método de determinação de densidade de sólidos, baseado no Princípio de Arquimedes
permite obter a massa específica e a porosidade total das amostras compactadas. As amostras
de CV compactado que possuem massa específica em torno de 1,23 g/cm3, são menos densas
quando comparadas ao CVM, cuja densidade fica em torno de 1,5 g/cm3.
Sabe-se que a porosidade é uma característica do material compactado, quanto mais compacto
o material, maior é a densificação, favorecida também pela natureza e formato das partículas.
Nas amostras estudadas, a porosidade total é reduzida para, aproximadamente, 12 % do valor
inicial após o tratamento térmico e representa 18 % do volume das amostras. Uma das
alternativas propostas para diminuição desse valor é reduzir a granulometria da matériaprima, pois partículas menores resultam em amostras mais densas, favorecendo também a
rugosidade superficial.
37
Os substratos preparados através da compactação do pó de carbono vítreo se tornaram forte
alternativa para a aplicação de espelhos. Além de satisfazer o requisito de reaproveitamento
das peças quebradiças de CVM, as amostras compactadas são rígidas, têm menor massa
específica e podem ser processadas em espessuras superiores a 7 mm, que é um fator limitante
para o carbono vítreo monolítico.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento dos Projetos 559925-7 e 380335/2013-1,
ao IEAv pela oportunidade de desenvolvimento dos trabalhos, aos apoios técnicos como o
Sgt. J. E. Ferraz, ao Marcos V. R. Santos e Diego J. B. Llopis do Laboratório de
Componentes Ópticos (EFO-O) pelo polimento e à equipe do Laboratório de Cerâmica no
IP&D da UNIVAP pela realização do ensaio e ao Departamento de Materiais da UNESP de
Guaratinguetá pelo fornecimento da matéria-prima utilizada.
Referências
[1] ORÉFICE, R. L.; PEREIRA, M. M.; MANSUR, H. S. Biomateriais; Fundamentos e
Aplicações, Cultura Médica, Rio de Janeiro (2006) 70.
[2] ZUCCHINI, R. R.; THEMUDO, J. S. Projeções, 23, 2005, 7-12.
[3] PANDOLFELLI, V. C.; AKIYOSHI, M. M.; SILVA, A. P.; SILVA, M. G. Cerâmica, 47
(2001) 19.
Art.6
38
O MÉTODO ELEMENT-FREE GALERKIN: APLICAÇÃO EM NANODISPOSITIVOS A POÇOS E PONTOS QUÂNTICOS 1
1
L. K. Sperotto1,2*; A. Passaro1,2; R. Y. Tanaka1,2; G. N. Marques3
Instituto de Estudos Avançados –Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica - ITA, São José dos Campos – SP
3
Universidade do Estado de Mato Grosso – UNEMAT, Alto Araguaia – MT
*[email protected]
Palavras-chave: software tools, heterostructures, numerical analysis, meshfree methods.
Introdução
Sensores de infravermelho nanoestruturados baseados em poços quânticos [1] e pontos
quânticos [2] são interessantes alternativas para aplicação em várias áreas como Medicina
(diagnóstico de câncer de pele, diagnósticos de doenças através dos gases liberados na
respiração), visão noturna, visão em neblina intensa (auxilio a voo), detecção de gases,
inspeção termográfica, monitoramento terrestre entre outros.
Diversos métodos foram aplicados no estudo dessas nanoestruturas. Por exemplo, em [3] é
aplicado o método de Volumes Finitos para a simulação de pontos quânticos piramidais com
topo truncado em domínio tridimensional estudando a influência do volume truncado nas
funções de onda e no valor dos níveis de energia. Em [4] é reportada a aplicação de um
método espectral em poços quânticos (1D) avaliando o erro no valor dos níveis de energia e o
tempo computacional em função do número de funções de base utilizadas. Um ponto negativo
desses métodos é a necessidade de reescrever as equações para cada região do domínio. O
Método de Elementos Finitos (MEF) também vem sendo aplicado com sucesso [5], [6],
mesmo quando não são impostas condições adequadas de continuidade da derivada da função
de onda em interfaces materiais.
O Método Element-Free Galerkin (MEFG) surgiu como uma alternativa interessante para a
resolução de sistemas de equações diferenciais possuindo vantagens com respeito ao outros
métodos que são exaltadas pela literatura [7–11], tais como a continuidade arbitrária da
solução e a não dependência de malha de discretização, mas com limitações que nem sempre
são abordadas de forma adequada, segundo a opinião dos autores.
O desenvolvimento do MEFG teve início com a generalização do MEF em [8] dando origem
ao conceito de Elemento Difuso (ED). O método faz uso da técnica Moving Least Square
(MLS) para aproximar a solução em cada elemento. Dois anos mais tarde foram propostas
modificações no procedimento de aplicação do ED, dando origem ao Método Element-Free
Galerkin, pois faz uso do procedimento de Galerkin na discretização das equações [7]. Essa
formulação é conhecida na Literatura como formulação padrão do MEFG. Como as soluções
são aproximadas com a técnica MLS, as condições de contorno essenciais não podem ser
impostas diretamente. Uma alternativa é o uso de multiplicadores de Lagrange na imposição
das condições de contorno essenciais [7].
Um avanço na formulação do método foi apresentado em [12] com a chamada formulação de
consistência do MEFG, diferindo da anterior apenas na forma como as funções de base são
obtidas. Alguns anos mais tarde a abordagem interpolante (MEFGI) foi proposta em [9]. A
abordagem interpolante é obtida com o uso em sua formulação de funções peso “quase1
Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq nº.
559908/2010-5.
39
singulares”, definidas por meio de um parâmetro denominado de singularização. Por ser uma
abordagem interpolante as condições de contorno impostas em pontos nodais são respeitadas
identicamente, sem a necessidade de uso de multiplicadores de Lagrange. Alguns algoritmos
propostos originalmente em [12] e otimizados em [9] são usados neste trabalho.
Um dos pontos negativos tanto do MEFG como do MEFGI é a necessidade de técnicas
auxiliares para o tratamento das interfaces materiais. Como as soluções obtidas são altamente
contínuas, essas técnicas auxiliares devem ser utilizadas para reproduzir as descontinuidades
físicas presentes nas interfaces entre diferentes materiais. Uma das técnicas utilizadas para
resolver esse problema é a de truncamento de domínios [10] que consiste em truncar a parte
do domínio de influência que ultrapassa a interface material. Outras técnicas também são
citadas na literatura [11].
O MEFG foi usado anteriormente no cálculo dos níveis de energia de poços quânticos [13],
assim como uma variação do mesmo, denominada Meshless Local Petrov-Galerkin foi
utilizada para a solução de problemas na área de mecânica quântica [14]. Não foi encontrado
na Literatura um estudo detalhado do efeito dos parâmetros de controle do MEFG ou do
MEFGI na solução de estruturas a poços ou a pontos quânticos.
Uma das contribuições deste trabalho é apresentar o MEFGI como uma alternativa ao cálculo
dos níveis de energia, funções de onda e dados derivados dessas duas grandezas nas
nanoestruturas já citadas, acrescentando um estudo do impacto da escolha de parâmetros de
controle do MEFGI na solução.
Avaliamos também uma técnica que se encontra em fase de desenvolvimento, denominada
ajuste de domínios, para lidar com descontinuidades materiais, a qual ao invés de truncar os
domínios de influência, ajusta-os de forma que seus limites não ultrapassem as interfaces
materiais, incluindo apenas o ponto localizado sobre a interface.
Metodologia
Os resultados apresentados neste trabalho foram obtidos com um programa computacional
implementado em Linguagem JAVA para a resolução da equação de Schroedinger no
paradigma Orientado a Objetos. Para a resolução do sistema de autovalores obtidos da
discretização da equação de Schroedinger foi utilizado um solver desenvolvido em
Linguagem C++ implementado na biblioteca SDK-LEVSOFT. Detalhes sobre a discretização
da equação de Schroedinger pode ser encontrada em [13].
O software foi validado através da comparação da solução obtida com soluções analíticas para
um poço de potencial infinito em uma dimensão, duas dimensões e duas dimensões com
simetria axial. As soluções analíticas para esses problemas são encontradas em [15], [16].
Para avaliar o comportamento do MEFGI foram utilizados modelos de poços quânticos já
reportados na Literatura [13], [17]. Para avaliar a solução em estruturas a pontos quânticos,
foi escolhido um modelo cilíndrico usado por [18]. Em ambos os casos foi comparada a
solução obtida pelo MEFGI com as soluções apresentadas pelos autores dos artigos referidos
e com soluções obtidas com o MEF de primeira ordem [6].
Alguns autores avaliam a qualidade da solução apenas a partir do comportamento da função
de onda. Contudo, todos os testes efetuados durante a execução deste trabalho mostram que as
funções de onda são sempre bem representadas. Neste trabalho utilizamos o erro percentual
dos autovalores calculados, obtido pela seguinte expressão:
Eref  Ecalc
Error 
 100 ,
Eref
onde Eref é o valor da energia para a referência utilizada e Ecalc é o valor da energia calculado
pelo MEFGI, como padrão para a comparação de resultados.
40
Os parâmetros de controle do MEFGI avaliados foram o parâmetro de singularização,
utilizado na obtenção das funções de forma interpoladoras [9], e o parâmetro de escalas de
domínios, que auxilia a definir o tamanho dos domínios de influência nodal [7–11]. Além
disso, foi avaliada a influência da escolha de diferentes funções peso [7–11], que ponderam as
contribuições nodais de acordo com o tamanho do seu domínio de influência, e da ordem da
base polinomial utilizada.
Os casos estudados neste trabalho foram submetidos a uma análise de convergência. Todas as
soluções pelo MEF e pelo MEFGI apresentam uma curva convergente em função do aumento
do número de pontos nodais. No caso da comparação com soluções analíticas, o MEFGI
apresenta, sistematicamente, erros percentuais menores para o mesmo número de pontos
nodais, o que está associado à alta continuidade da solução obtida com o MEFGI. A Figura 11
ilustra o erro percentual obtido pelo MEF e pelo MEFGI para vários estados de energia de um
poço de potencial infinito. Pode-se observar na Figura 11 que para a mesma discretização
nodal, o MEFGI obtém sistematicamente solução com menor erro, aproximadamente a
metade da obtida com o MEF.
100
Erro Percentual
10
1
MEF
MEFGI
0.1
0.01
0.001
0
5
15
25
10
20
Número Quântico (n)
30
35
Figura 11. Erro percentual para os níveis de
energia em um poço de potencial infinito.
Figura 12. Convolução Lorentziana da força
de oscilador para um modelo com u único
poço (azul), com quatro poços (verde) e
curva experimental.
Como esperado, as funções de onda para todos os casos avaliados obtidas com o MEFGI são
sempre bem representadas.
Outra avaliação realizada em domínio unidimensional é a comparação da curva de absorção
calculada com a curva de absorção experimental de um QWIP. Neste caso, utilizamos o
modelo de QWIP avaliado em [17]. A curva do espectro de absorção na aproximação de
dipolo é obtida realizando a convolução Lorentziana da força de oscilador. A força de
oscilador é uma grandeza adimensional que indica a probabilidade de transição de um elétron
entre os estados quânticos e é calculada por:
2
 j


2 2
  i
fi, j 
d 

m * m0 ( Ei  E j )  
z

onde ħ é a constante de Planck reduzida, m* é a massa efetiva do elétron, m0 é a massa do
elétron livre, Ei e Ej são a energia do estado inicial e final respectivamente, ψi e ψj são as
funções de onda do estado inicial e final, Ω é o domínio de estudo. Como esta grandeza utiliza
41
o valor dos níveis de energia, as funções de onda e sua derivada primeira, sua avaliação indica
globalmente a qualidade desses dados.
Na Figura 12 temos a curva de absorção experimental e teórica para modelos computacionais
com um único poço e com quatro poços levando em consideração a não parabolicidade da
massa efetiva [19]. Note que o uso de mais poços no modelo não altera a posição do pico de
absorção. A posição calculada do pico de absorção não mostrou dependência significativa
com a escolha de parâmetros de controle do MEFGI. Uma comparação com a solução do
MEF revelou que o pico de absorção se mantém praticamente na mesma posição e diferenças
foram observadas apenas para comprimentos de onda maiores.
De forma a verificar o comportamento do MEFGI em pontos quânticos foi utilizado um
modelo de ponto cilíndrico (Figura 13) [18], discretizado com 6659 pontos nodais.
Uma das avaliações realizadas no modelo de ponto quântico cilíndrico foi quanto ao valor a
ser adotado para o parâmetro de singularização das funções peso do MEFGI. Na Tabela 1
apresentamos o valor mínimo obtido em nossos testes para o parâmetro de singularização,
considerando diferentes ordens da base polinomial. O valor obtido neste trabalho é
dependente da base polinomial escolhida. Para base polinomial linear o valor encontrado está
de acordo com o apresentado na Literatura [9], entretanto, não encontramos referencias na
literatura que ilustrem a dependência desse parâmetro com a ordem da base polinomial.
Tabela 1. Valores do parâmetro de singularização recomendados para cada base polinomial.
Base Polinomial
ɛ
Linear
1E-06
Quadrática
1E-18
Cúbica
1E-19
Interface 3
Interface 2
Linha de Avaliação
Interface 1
Figura 13. Modelo de ponto cilíndrico
utilizado com detalhe da linha de avaliação.
Figura 14. Derivada da Função de Onda
avaliada com o uso da Técnica de Ajuste de
Domínios.
Testes da descontinuidade da derivada da função de onda nas interfaces de materiais também
foram realizados, utilizando o modelo cilíndrico de ponto quântico. A Figura 14 ilustra o
comportamento da derivada ao longo da linha de avaliação representada na Figura 13, obtido
com a aplicação da técnica de ajuste de domínios. A análise mostrou que com o uso desta
técnica a descontinuidade obtida, mesmo sem impor condição alguma na formulação do
problema é inferior a 13% em todos os casos analisados. No caso de solução sem tratamento
de interfaces a diferença pode chegar a mais de 70%. A aplicação da técnica de ajuste de
42
domínio resulta em comportamento similar ao obtido com a técnica de truncamento de
domínios, com a desvantagem de que sua implementação é muito mais complexa, além de
utilizar mais recursos computacionais.
Deve-se ressaltar que tanto o erro na condição de descontinuidade quanto o erro no valor dos
níveis de energia dependem do valor do parâmetro de escala de domínios e da base polinomial
escolhida. Outro ponto a ser ressaltado é que aparecem pequenas oscilações nas derivadas das
funções de onda (Figura 14). Essas oscilações diminuem com o aumento da ordem da base
polinomial empregada e praticamente desaparecem com o uso da base polinomial quadrática.
Tanto para os casos unidimensionais quanto bidimensionais foi realizada a avaliação de
diferentes funções peso. Os resultados obtidos não revelaram alteração significativa nas
soluções com o uso de diferentes funções peso com classe de continuidade diferentes.
Entretanto, aconselhamos o uso de funções pertencentes à classe de continuidade mais
elevada como, por exemplo, spline de quinta ordem, senoidal e exponencial.
Conclusões
Neste trabalho foi reportada a aplicação do MEFGI com o uso da técnica de truncamento e de
ajustes de domínios para a resolução da equação de Schroedinger em nanoestruturas a poços e
pontos quânticos. Apesar de não apresentado neste trabalho, foi possível definir uma faixa de
valores para o parâmetro de tamanho de domínio de influência, para diversas funções peso
normalmente citadas na literatura, que permite obter erros na determinação dos autovalores
menores do que os obtidos pelo MEF. Da mesma forma que o observado no MEF, os
parâmetros de controle do MEFGI não afetam de forma significativa grandezas globais como
a curva de absorção.
Agradecimentos
Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no559908/2010-5 e pelas bolsas DTI-C
(381329/2011-9) e DT-2 (310768/2009-8).
Referências
[1] LEVINE, B. F. Quantum-well infrared photodetectors. Journal of Applied Physics, vol.
74, no. 8, pp. R1–R81, 1993.
[2] LIU, H. C. GAO, M. MCCAFFREY, J. WASILEWSKI,Z. R. and FAFARD,S. Quantum
dot infrared photodetectors. Applied Physics Letters, vol. 78, no. 1, p. 79, 2001.
[3] WANG, W. HWANG, T. and JANG,J. A second-order finite volume scheme for three
dimensional truncated pyramidal quantum dot. Computer Physics Communications, vol.
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[4] ALHARBI, F. Meshfree eigenstate calculation of arbitrary quantum well structures.
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analysis of subband alignment in a superlattice with one larger well. International Journal
of Applied Electromagnetics and Mechanics, vol. 33, no. 1, pp. 217–223, 2010.
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Optoelectronics Conference, 2007, pp. 914–918.
[7] BELYTSCHKO,T. LU, Y. Y. and GU, L. Element-free Galerkin methods. International
Journal for Numerical Methods in Engineering, vol. 37, no. 2, pp. 229–256, Jan. 1994.
[8] NAYROLES, B. TOUZOT, G. and VILLON, P. Generalizing the finite element method:
Diffuse approximation and diffuse elements. Computational Mechanics, vol. 10, no. 5, pp.
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43
[9] BREITKOPF, P. RASSINEUX, A. TOUZOT, G. and VILLON, P. Explicit form and
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[13] MACHADO, J. M. SHIYOU, Y. PASSARO, A. and ABE, N. M. An Application of the
Element Free Galerkin Method to the Analysis of Quantum Well Structures. In Fourth
International Conference on Electromagnetic Field Problems and Applications ICEF’2000, 2000, no. 2, pp. 207–210.
[14] NICOMEDES, W. L. MESQUITA, R. C. and MOREIRA, F. J. S. Meshless local PetrovGalerkin (MLPG) methods in quantum mechanics. COMPEL: The International Journal
for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, vol. 30, no.
6, pp. 1763–1776, 2011.
[15] EISBERG, R. and RESNICK, R. Física Quantica: Átomos, Moléculas, Sólidos,
Núcleos e Partículas. Rio de Janeiro: Elsevier, Campus, 1979.
[16] BUTKOV, E. Física Matemática. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Dois S.A., 1978,
p. 725.
[17] PRALON, B. P. F. Avaliação do desempenho de QWIPs em função da dopagem.
Dissertação de Mestradoem Física – Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro,
2013.
[18] LEE, J. CHOU, W.-C. YANG,C.-S. and JAN, G. J. Eigen-Energies and EigenFunctions of Symmetroidal Quantum Dots. Chinese Journal of Physics. vol. 42, no. 1, pp.
102–115, 2004.
[19] NELSON, D. MILLER, R. and KLEINMAN, D. Band nonparabolicity effects in
semiconductor quantum wells. Physical Review B, vol. 35, no. 14, pp. 7770–7773, May
1987.
Art.7
44
ESTUDO DE COMPONENTES DE INTERFERÔMETRO NO
INFRAVERMELHO 1
P. S. Patrício1,2* ; A. J. Damião 2
Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho”, Guaratinguetá – SP.
2
Instituto de Estudos Avançados – Fotônica – Óptica Aplicada, São José dos Campos – SP.
* [email protected]
1
Palavras-chave: Interferometria, Metrologia, Óptica de Precisão.
Introdução
É apresentada uma metodologia de treinamento na montagem de um interferômetro de
Michelson de luz visível, que será utilizado para os estudos dos componentes de
interferômetro no infravermelho.
A interferometria é uma técnica baseada no fenômeno de interferência, sendo aplicada em
metrologia de precisão nas áreas aeroespacial, medicina e indústrias, dentre outras.
O Laboratório de Produção de Componentes Ópticos (LPCO), do Grupo de Óptica Aplicada
do IEAv, necessita de um interferômetro no infravermelho para a caracterização de
superfícies esmerilhadas, etapa que ocorre durante a fabricação de componentes ópticos de
precisão [1].
Interferômetro Óptico
Interferômetro óptico é um instrumento para medições de precisão, baseado no fenômeno de
interferência. Na Figura 1 a) é apresentada uma esquematização do interferômetro de
Michelson. Neste interferômetro, um feixe de luz de laser (Source S) é dividido por um beam
splitter (divisor de feixes) produzindo dois feixes. Cada um dos feixes divididos incide em
um espelho (M1 e M2), retornando para o beam splitter. A combinação destes feixes produz
uma imagem de claros e escuros chamada de padrão de interferência, ver Figura 1 b). Quando
os feixes interferem de forma construtiva produzem os claros (máximos) e quando se
interferem de forma destrutiva produzem os escuros (mínimos).
a)
b)
Figura 1. a) Esquematização do interferômetro. b) Padrão de interferência.
Óptica de Precisão
Na fabricação de um componente óptico de precisão, o acabamento superficial envolve três
passos principais: a geração da superfície, o esmerilhamento e o polimento. A caracterização
do formato da superfície somente pode ser realizada com precisão quando a superfície já
apresenta certo grau de polimento, pois antes disso o espalhamento da luz não permite a
1
Projeto: Estudo dos Componentes de um Interferômetro no Infravermelho.
45
observação de franjas de interferência. Na fase de polimento, caso seja observado um erro de
forma na superfície, por exemplo, se uma superfície que deveria ser plana se apresentar
levemente côncava ou convexa, novo esmerilhamento deve ser realizado.
A solução para economia de tempo e material na produção de óptica de precisão é medir a
planeza da superfície logo após o esmerilhamento. Porém, pelo fato da superfície ainda ser
bastante rugosa, o espalhamento da luz (radiação no visível), não permite a utilização da
interferometria. Uma maneira de superar este problema é utilizar um interferômetro com
comprimento de onda maior do que a rugosidade média da superfície. Por isso a necessidade
da construção de um interferômetro no infravermelho.
Metodologia
Trabalhar e alinhar sistemas no infravermelho requer prática, pois o feixe não é visível. Para
ganhar experiência em interferometria, foi utilizado um laser de Hélio-Neônio (He-Ne) para a
montagem do interferômetro.
Para montagem do interferômetro de Michelson são necessários: um laser de He-Ne, um filtro
espacial, um divisor de feixes (beam splitter), espelhos de primeira face, lente para
focalização do padrão de interferência na câmera de vídeo e monitor de vídeo para a
visualização da imagem das franjas de interferência. O passo inicial foi a montagem e o
alinhamento destes componentes, bem como compreender as suas funções na montagem.
Alinhamento do Feixe de Laser de He-Ne
Inicialmente o laser de He-Ne foi montado em um suporte fabricado no IEAv. A Figura 2 a)
apresenta o suporte de metal com três parafusos na frente e três atrás, para alinhamento do
laser nos eixos Y e Z. O suporte com o laser foi colocado em um trilho de ferro e foram
utilizados pin holes para o alinhamento do laser com o trilho. Isto é essencial para que os
componentes a serem instalados estejam colineares.
Para alinhar o feixe do laser com o trilho, fez-se com que o feixe do laser passasse por um
único pin hole colocado inicialmente numa posição próxima ao laser e, posteriormente,
quando afastado do laser o feixe ainda atravessasse o pin hole. Isto é obtido com
aproximações sucessivas. Depois de garantir o alinhamento do feixe do laser com o trilho,
foram posicionados outros pin holes , ver Figura 2 b), em locais onde serão colocados os
componentes do interferômetro.
a)
b)
Figura 2. a) Suporte com laser alinhado. b) Feixe de laser passando através dos pin holes.
A seguir serão descritos os componentes do interferômetro.
46
Filtro Espacial
O filtro espacial é um dispositivo destinado a selecionar modos do laser. É constituído de duas
lentes e um pequeno orifício (pin hole). O feixe de entrada é focalizado pela primeira lente no
pin hole, sendo assim espacialmente filtrado o que não é desejado. A segunda lente é colocada
em posição confocal com a primeira Fig. 3 a), recuperando o feixe original. Nas figuras 3 a) e
3 b) é apresentado o filtro espacial utilizado em nossa montagem.
a)
b)
Figura 3: Filtro espacial. a) Esquematização e b) montado junto ao laser.
Interferômetro de Michelson
O interferômetro de Michelson é um dispositivo criado por Albert Abraham Michelson em
1881 para estudos com a velocidade da luz. Nas Figura 4 a) e b) é apresentado o
interferômetro de Michelson montado neste projeto para estudarmos a interferometria.
a)
b)
Figura 4: Interferômetro de Michelson. a) vista superior, b) vista lateral.
O interferômetro de Michelson tem dois braços. O braço do interferômetro é a distância entre
o beam splitter e um dos espelho.
O interferômetro funciona da seguinte maneira: um feixe de luz (1) de laser de He-Ne, com
comprimento de onda no vermelho ( = 633 nm), passa por um pin hole (2), passa pelo filtro
espacial (3) para seleção de modos do laser, e incide no beam splitter (4), onde se divide em
dois feixes. Esses dois feixes incidem nos espelhos (5 e 6), sendo refletidos e retornando ao
beam splitter (4), onde de combinam e através da lente (7) são focalizados na câmera de vídeo
(8). O padrão de interferência formado pode ser visto na imagem no monitor (9).
A qualidade dos espelhos utilizados no interferômetro determina a resolução final do padrão
de interferência observado. A qualidade dos espelhos é avaliada pela medida de sua planeza.
A planeza dos espelhos é medida através da técnica da interferometria de fase. Neste trabalho
foi utilizado um interferômetro Zygo Mark GPI-XPS para a avaliação dos espelhos.
47
Medida da Planeza dos Espelhos
As Figuras 5 a), 5 b), 6 a) e 6 b), apresentam os resultados das medições do espelho M 1 e M2.
Através do padrão de interferência da Figura 5 a), observou-se uma planeza de /3 para o
espelho M1. Através do padrão de interferência da Figura 6 a), observou-se uma planeza de
/2 para o espelho M2.
a)
b)
Figura 5: Planeza do espelho M1. a) Padrão de interferência produzido e b) medida da
distância entre o pico e o vale.
a)
b)
Figura 6: Planeza do espelho M2. a) Padrão de interferência produzido e b) medida da
distância entre o pico e o vale.
Interferômetro de Michelson
Na figura 7 pode ser vista a primeira montagem do interferômetro na bancada do laboratório.
Figura 7: Interferômetro de Michelson em funcionamento no LPCO. Pode ser observado no
alto do canto esquerdo o interferograma formado.
48
A Figura 8 apresenta o padrão final de interferência obtido com o interferômetro de
Michelson, em uma segunda montagem. Foi aqui utilizado o processo de alinhamento
anteriormente descrito. O padrão de interferência está mais bem definido do que em relação
ao padrão observado na Figura 1 b), pelo fato de ter-se corrigido a distância dos braços do
interferômetro.
Figura 8: Padrão de interferência observado com o interferômetro de Michelson.
Na Figura 8, de interferência, podem-se observar três franjas consecutivas. O comprimento de
onda do laser utilizado é igual a  = 633 nm, então podemos medir deformações na superfície
de no máximo 211 nm (/2).
Na montagem do interferômetro no infravermelho, serão utilizados componentes de ZnSe,
em substituição aos componentes de vidro (SiO2). Os componentes de vidro absorvem
radiação infravermelha e além de não transmitir o feixe, podem aumentar a temperatura dos
componentes podendo produzir a sua quebra.
Dois dos componentes são expansores de feixe do laser. O desenho destes expansores é igual
ao desenho do filtro óptico da Figura 3 a). Estes são fabricados à partir de especificações e o
seu desenho está determinado para o comprimento de onda do laser de CO 2 (  = 10.600 nm).
Quando trabalhamos com o laser de He-Ne não podemos utilizar os expansores de ZnSe, pois
através da equação dos fabricantes de lentes, podemos mostrar que o posicionamento confocal
do expansor é perdido, pois este perceberá o ZnSe com um índice de refração diferente
daquele que foi calculado para o laser de CO2.
Conclusões
Nesta montagem do interferômetro de Michelson foi observada a importância do alinhamento
do feixe do laser, da sua colimação e paralelismo, e do alinhamento deste com os
componentes ópticos.
Os espelhos utilizados limitam uma máxima resolução de /2, permitindo a medição de
deformações em superfícies óticas de no máximo 316.5 nm.
Na montagem do interferômetro no infravermelho serão utilizados expansores e beam splitter
de ZnSe para a avaliação de superfícies ópticas de até 75 mm.
Agradecimentos
Gostaria de agradecer à participação dos Sr(s), 1S Franklin, 2S Ferraz, Ms. Luís Lavras e ao
financiamento do CNPq.
Referências
[1] DAMIÃO, Alvaro José. Design of an IR interferometer for rough surfaces evaluation.
ENCONTRO DE FÍSICA 2011 da Sociedade Brasileira de Física, Foz do Iguaçu. p. 9-9.2011.
Art.8
49
ANÁLISE DA PERMISSIVIDADE ELÉTRICA NA BANDA S E DAS
MICROESTRUTURAS DE AMOSTRAS POLICRISTALINAS DE
CoFe2O4
L. V. Lemos1*; A. K. Hirata1; V. L. O. Brito2; A. C. C. Migliano1,2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Engenharia Aeronáutica e Mecânica, São José dos
Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: ferritas de cobalto, permissividade elétrica, estrutura cristalina.
Introdução
Ferramentas computacionais são empregadas atualmente para o desenvolvimento de
estruturas funcionais que absorvam radiação eletromagnética, com o objetivo de eliminar os
altos custos de prototipagem e de ensaios de conformidade. Para se garantir a confiabilidade
dos resultados gerados nas simulações computacionais, faz-se necessária a submissão de
bancos de dados com as propriedades eletromagnéticas dos materiais empregados. De acordo
com a literatura, as ferritas de cobalto têm potencial para aplicações em sensores
aeroespaciais, em especial para transdutores de pulso de corrente, de presença de rádio
frequência (RF) e magnetoelásticos [1, 2]. No entanto, não são encontrados dados suficientes
que possam cumprir as exigências de projeto para os seus desenvolvimentos. Desta forma, a
compreensão dos fenômenos físicos envolvidos e a utilização desses materiais são frutos das
interpretações dadas sobre as interações dos materiais com os campos eletromagnéticos. Na
área de telecomunicações, o desenvolvimento de tecnologias requer um conhecimento preciso
das propriedades eletromagnéticas de materiais em frequências de RF e micro-ondas, a fim de
atender requisitos importantes para aplicações nos setores civis e militares [2,3]. Assim, o
desenvolvimento de circuitos eletrônicos requer o conhecimento preciso das propriedades
constitutivas dos materiais.
As cerâmicas eletromagnéticas são materiais largamente empregados nas áreas de
telecomunicação e de eletroeletrônica. São conhecidas como ferritas [4] que, diferentes dos
aços magnéticos, apresentam alta resistividade elétrica e valores consideráveis de
permeabilidade magnética e permissividade elétrica em altas frequências [5,6,7]. As ferritas
que apresentam fáceis magnetização e desmagnetização são conhecidas como ferritas
magneticamente moles e, geralmente, apresentam estrutura cristalina do tipo espinélio
[8,9,10]. Algumas ferritas possuem características magnetoelásticas, tal como a ferrita de
cobalto que possui aplicações em sensores de tensão mecânica, atuadores piezomagnéticos e
magnetômetros [11].
Neste trabalho são apresentadas curvas de permissividade elétrica complexas de ferritas de
cobalto sinterizadas a 1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC, na faixa de frequência de 2 GHz a 4 GHz
(Banda S). Também são apresentadas imagens de micrografias da superfície das amostras,
com o objetivo de avaliar a influência da temperatura de sinterização nas propriedades
elétricas desses materiais. Medidas de DRX dessas amostras confirmaram a presença da
esperada estrutura espinélio inverso.
Metodologia
Para o preparo da estequiometria do material, foram utilizados pós de Co3O4 e Fe2O3, secos
em uma estufa, por 24 horas a 60 °C, a fim de retirar grande parte da umidade dos materiais.
50
Após a secagem dos pós, esses materiais foram peneirados com uma peneira de malha 230
(63µm) e armazenados em recipientes esterilizados para identificação.
Os critérios para a determinação da estequiometria CoFe2O4 foram estabelecidos de acordo
com a resposta do material durante a análise da espectroscopia de energia dispersiva (EDS).
O processo de moagem à úmido foi realizado com um jarro de poliamida e esferas de
zircônia. Considerando a massa específica teórica dos óxidos Co3O4 igual a 6,11 g/cm3 e
Fe2O3 igual a 5,24 g/cm3 [12], foram misturados no jarro 41,74g de Co3O4, 83,04g de Fe2O3,
90,72 ml de água bidestilada e 0,45 ml de dispersante (poliacrilato de amônia) para a mistura
dos óxidos. A homogeneização do material ocorreu por meio do processo de moagem.
A ferrita de cobalto foi pré-sinterizada a 900 °C, durante 8 horas, com taxa de aquecimento de
300 °C/hora. Após a pré-sinterização, o material resfriou lentamente até a temperatura
ambiente. Com a queda da temperatura, a somatória da inércia de resfriamento dos elementos
que constituem a câmara de queima do forno contribuiu com a redução da taxa de
resfriamento do forno. O processo de pré-sinterização formou aglomerados de grãos que
foram novamente moídos durante 24 horas no moinho de bolas à úmido e, depois de secos,
foram reduzidos com o auxílio de um almofariz de zircônia, durante 30 minutos, manuseando
o pistilo em movimentos circulares. O material separado foi compactado por uma prensa
manual com uma pressão de 50 MPa durante 60 segundos nas faces da amostra. Foi utilizada
a técnica de prensagem uniaxial bidirecional com camisa flutuante [13,14,15]. Após a
prensagem, as amostras foram separadas em três lotes e cada lote foi sinterizado à 1100 °C,
1200 °C e 1300 °C, respectivamente, durante 2 horas, para formação da estrutura.
As medidas dos parâmetros S em um guia de onda coaxial de duas portas foram feitas
utilizando-se um analisador de redes vetorial (VNA), modelo 8722 ES, da Agilent Co., pela
técnica de Transmissão/Reflexão [ 1, 2]. O processo de calibração do VNA (a) foi realizado
com o kit de calibração 85032A, da Agilent Co.(c, d e e), na faixa de frequência de 50 MHz a
5 GHz. O kit de calibração utilizado possui padrões do tipo N [42,57]. Após a calibração, o
equipamento apresentou uma razão de onda de tensão estacionária (VSWR) [1,6] máxima de
1,0066 por toda a faixa de frequência.
A análise por meio da difração de raios X é apresentada na Figura 1.
3
1
2
4
5
6
7
8
9
1300 ºC
1200 ºC
1100 ºC
900 ºC
Figura 1. Difratogramas das ferritas de cobalto pré sinterizada a 900 ºC e sinterizadas a
1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC. Os picos numerados representam o ângulo dos planos cristalinos
em unidades arbitrárias.
51
Observando que os picos de 1 a 9 da difração de raios X apresentada na Figura 1 se repetem
para as estruturas desde a pré-sinterização, podemos determinar que a estrutura formada
durante a pré-sinterização manteve-se durante as sinterizações e são do tipo espinélio, de
acordo com [16].
Na Figura 2 são representados os resultados das medidas de permissividade elétrica complexa
( ) para a ferrita sinterizada a 1100 ºC. As medidas de
da amostra sinterizada a 1100 ºC
apresentaram um comportamento de Debye, onde a componente imaginária da permissividade
elétrica ( ) apresentou um pico de 2,74 na frequência de 3,35 GHz. A interação do material
com o campo elétrico, ou seja, a componente real da permissividade elétrica ( ) iniciou a
resposta de relaxação na frequência de 1,05 GHz. Observando
em função de
, a
frequência de corte do material relativa ao pico da curva do diagrama Cole-Cole [17] foi de
3,35 GHz.
Conforme a Figura 3, as medidas de
da amostra sinterizada a 1200 ºC apresentaram um
comportamento de Debye, onde
apresentou um pico de 7,41 na frequência de 2,51 GHz. A
interação do material com o campo elétrico
iniciou a resposta de relaxação na frequência
de 1,02 GHz. Foi observado o acréscimo da permissividade com o aumento da temperatura de
sinterização. As perdas elétricas
também apresentaram acréscimo do valor. A frequência
de corte do material foi de 2,51 GHz.
As medidas de da amostra sinterizada a 1300 ºC, representadas na Figura 4, apresentaram
acréscimo nos valores de suas componentes real e imaginário, comparado com as medidas das
amostras sinterizadas a 1100 ºC e 1200 ºC. Foi observado um pico de 12,07 na frequência de
2,92 GHz para a perda . A interação do material com o campo elétrico iniciou a resposta
de relaxação na frequência de 1,05 GHz. Foi observado o acréscimo da permissividade com o
aumento da temperatura de sinterização. As perdas elétricas
também apresentaram
acréscimo do valor. A frequência de corte do material foi de 2,92 GHz
Figura 2. Medidas das partes reais e imaginárias da permissividade elétrica da ferrita de
cobalto sinterizada a 1100 ºC.
52
53
Conclusões
O comportamento de Debye da permissividade em frequências acima de 2 GHz para as
ferritas de cobalto demonstraram que esses materiais apresentam interações com campos
eletromagnéticos de alta frequência e podem ser aplicados em dispositivos de RF e microondas. As frequências de relaxação das amostras sinterizadas a 1100 ºC, 1200 ºC e 1300 ºC
foram de 3,35 GHz, 2,51 GHz e 2,92 GHz, respectivamente. Esses valores são utilizados para
o preenchimento de bancos de dados de programas de simulações computacionais.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao grupo de sistemas eletromagnéticos do IEAv pelo apoio no
desenvolvimento do trabalho, à Dra. Cristina Bormio do Departamento de Materiais da USPEEL e ao Dr. Manoel Ribeiro da Silva da UNIFEI. Também agradecemos ao CNPq (Proc.
501348/2007IC e Proc. 141780/2011-8) e ao CAPES (Proc. 3132042009/8DT).
Referências
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New York, NY: John Wiley & Sons, 2004. 552 p
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[4] RICHERSON, D. W. Modern ceramic engineering: properties, processing, and use in
design. 3. ed. Boca Raton: Taylor & Frances / CRC Press, 2006. 707 p.
[5] KOOPS, C. G. On the dispersion of resistivity and dielectric constant of some
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1951.
[6] SOOHOO, R. F. Theory and application of ferrites. Englewwood Cliffs, NJ: PrenticeHall, 1960. 280 p.
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ferrites. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, New York, NY, v. 160, p. 329332, jul. 1996.
[8] VALENZUELA, R. Magnetic ceramics. Cambridge, UK: Cambridge University Press,
1994. 312 p.
[9] SMIT, R.; WIJN, H. P. J. Ferrites: physical properties of ferrimagnetic oxides in relation
to their technical applications. Heindhoven, NL: Philips' Technical Library, 1959. 369 p.
[10] MOULSON, A. J.; HERBERT, J. M. Electrocermaics: materials, properties,
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[11] CHEN, Y. et al. Metal-bonded Co-ferrite composites for magnetostrictive torque sensor
applications. IEEE Transactions on Magnetics, Piscataway, NJ, v. 35, n. 5, p. 3652-3654,
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[12] GREENWOOD, N. N.; EARNSHAW, A. Chemistry of the elements. 2. ed. Oxford,
UK: Butterworth-Heinemann, 1997. 1341 p.
[13] BRITO, V. L. O. Seleção, elaboração e caracterização de ferritas Ni-Zn para
aplicação de monitores de corrente pulsada, 2007. 156f. Tese (Doutorado em Engenharia
Aeronáutica e Mecânica)- Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
[14] CAIRO, C. A. A. Otimização de parâmetros de prensagem isostática para
minimização de defeitos de compactação de corpos cerâmicos, 1190. 141f. Dissertação
54
(Mestrado em Engenharia dos Materiais)- Universidade Federal de São Carlos, São Carlos,
SP, 1990.
[15] REED, J. S. Principles of ceramic processing. 2. ed. New York, NY: WileyInterscience, 1995. 658 p.
[16] MAAZ, K. et al. Synthesis and magnetic properties of cobalt ferrite (CoFe2O4)
nanoparticles prepared by wet chemical route. Journal of Magnetism and Magnetic
Materials, New York, NY, v. 308, n. 2, p. 289-295, jan. 2007.
[17] LEMOS, L. V. Propriedades eletromagnéticas de amostras policristalinas de
CoFe2O4 na faixa de RF e micro-ondas. 2010. 90 f. Tese de mestrado em Física e Química
dos Materiais Aeroespaciais) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos.
Art.9
55
WEBQUEST COMO FERRAMENTA DE APOIO A ALUNOS NA
APRENDIZAGEM DE SENSORES E ATUADORES 1
J. S. Neto1*; A. Passaro2; C. T. Fernandes 1
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – ITA - São José dos Campos – SP
2
* [email protected]
1
Palavras-chave: webquest; aprendizagem; imsld; sensores e atuadores.
Introdução
Atualmente, a internet é utilizada também como fonte de construção de conhecimento de
alunos através de atividades de busca, organização e sistematização de informações. Contudo,
muitas vezes os alunos têm dificuldade de escolher as informações úteis e/ou confiáveis,
resultando em perda de foco da pesquisa e ineficiência no processo de aprendizagem.
WebQuest2 (WQ) é uma técnica educacional orientada a investigação em que a maior parte ou
toda a informação que os alunos utilizam também provém da web [1], mas a pesquisa é
induzida pelo professor, que apresenta aos alunos um tema e uma tarefa exeqüível e
interessante e que envolva participação ativa dos integrantes. A tarefa proposta deve estimular
a pesquisa, o trabalho em grupo, o pensamento crítico e a produção de materiais. Neste
sentido, o emprego de WebQuests beneficia o trabalho do professor por evitar que os alunos
naveguem desconectados dos objetivos da atividade. WebQuests possuem um formato
bastante característico com as seguintes seções, sendo que as cinco primeiras são obrigatórias:
Introdução, Tarefa, Processo, Conclusão, Avaliação, Créditos e Página do Professor.
O número de professores que utilizam WebQuests como uma técnica educacional para
elaboração de atividades de aprendizagem tem aumentado no mundo [1], o que se pode
constatar facilmente por uma busca na internet. As WebQuests possuem a virtude da
navegabilidade simples e tem se mostrado acessíveis para entendimento tanto de professores
quanto de alunos. Utilizada como uma forma mediadora entre o sujeito e o objeto de
conhecimento, a técnica auxilia no desenvolvimento intelectual do aluno. Este
desenvolvimento intelectual é explorado na WebQuest quanto a habilidade de coleta, resumo,
síntese e avaliação da informação dentro de parâmetros claramente definidos, a fim de realizar
uma tarefa autêntica definida pelo professor. No entanto, para construir WebQuests bem
elaboradas é desejável que o professor domine o uso da linguagem HTML, ou de ferramentas
específicas para geração de conteúdo em HTML, conhecidos como editores de HTML, o que
não é uma tarefa trivial para professores em geral, com pouco conhecimento em informática
[2]. A criação das estruturas para navegação pelo conteúdo, assim como publicar páginas em
um site costumam exigir apoio de pessoal especializado e nem sempre disponível,
dificultando o acesso das WebQuests aos professores interessados na técnica.
Para facilitar e incrementar a adoção dessa técnica instrucional, foram desenvolvidos editores
de WebQuests [2] como o da Figura 1, que possibilitam de forma simplificada a criação de
WebQuests já no formato HTML. Contudo, limitar a criação de WebQuests apenas a estes
editores e ainda gerar o conteúdo somente no formato HTML é limitar as possibilidades de
reutilização das WebQuests produzidas por estes editores. Isto pode ser justificado no fato de
1
2
Projeto: Título do projeto de pesquisa do orientador ao qual este trabalho se insere.
Mais informações sobre o modelo WebQuest disponível em <http://www.webquest.org/>.
56
que WebQuests em HTML são difíceis de serem incorporadas no contexto de LMSs
(Learning Management Systems), por não estarem nos formatos aceitos por estas plataformas.
Figura 15: Exemplo de gerenciador de WebQuest com botões de edição [3]
Dentre os sistemas de aprendizado eletrônico, os Sistemas de Gerenciamento de
Aprendizagem (LMS, do inglês Learning Management Systems), são ambientes propícios ao
desenvolvimento de atividades pedagógicas. Podemos citar como exemplos de LMS o
Moodle [4] e o TIDIA-Ae/Sakai [5], que são acessíveis por meio de browsers. Estes
ambientes disponibilizam ao usuário, professor e aluno, vários recursos que podem ser
utilizados como estratégias de ensino. Fazem parte destes recursos, dentre outros, o chat, o
fórum, e-mail, listas de discussão, blogs e teleconferência.
A proposta deste trabalho é desenvolver um editor completo e moderno para a elaboração de
WebQuests, com tecnologia equivalente ao dos editores da literatura e obedecendo ao padrão
IMS Learning Design (IMSLD), que representa uma evolução dos sistemas de aprendizagem
eletrônico, ao permitir o desenvolvimento de atividades de aprendizagem com base em
qualquer modelo instrucional [6]. O uso do IMSLD diretamente pelo professor exigiria sua
familiarização com o padrão de especificação de aprendizagem, além do conhecimento da
linguagem de marcação padrão (XML), adotada pelo padrão por permitir a interoperabilidade
entre sistemas e a reusabilidade do produto. Este fato acrescentaria uma dificuldade adicional
para sua adoção por parte do professor, eliminada pelo editor proposto.
O objetivo é criar um ambiente computacional simplificado tipo LMS com acesso por um
browser, que inclua o Editor de WebQuests integrado ao IMSLD de forma transparente para o
professor, permitindo que sua atenção seja voltada para a criação de WebQuests direto do
browser de acordo com o seu modelo pessoal de aprendizagem a inclusão facilitada do
conteúdo educacional que se deseja transmitir ao aluno. Nesse ambiente, o professor poderá
criar Disciplinas, associar turmas de alunos às disciplinas e inserir material educacional em
57
diversos formatos, incluindo principalmente WebQuests escritas com a ajuda de um Editor de
WebQuests associado ao ambiente. Cada aluno da turma será capaz de acessar as WebQuests
disponíveis numa dada disciplina, que poderão ser visualizadas por meio de executor que
entende o formato do padrão IMSLD e o apresenta num browser qualquer.
O processo de avaliação do produto desenvolvido envolverá sua aplicação na área de Sensores
e Atuadores Espaciais, no contexto do Programa de Pós-Graduação em Ciências e
Tecnologias Espaciais do ITA.
Metodologia
A proposta de pesquisa inicia com o estudo dos diversos editores de WebQuests da literatura.
Com base nesse estudo, o passo seguinte é completar o desenvolvimento de um Editor de
WebQuests, bem como o do seu ambiente LMS. Como conseqüência deste Editor, serão
elaboradas algumas WebQuests, propostas no processo de ensino e aprendizagem de Sensores
e Atuadores para estudantes.
Os professores que utilizarão o Editor e o LMS serão convidados a avaliar a usabilidade das
ferramentas, a fornecer sugestões para sua melhoria e a relatar suas impressões quanto a
efetividade do uso no processo de aprendizagem. Os alunos também serão atores do processo
de avaliação de uso do LMS e de WebQuests quanto a usabilidade e efetividade no contexto
da área. Este processo avaliativo deverá contemplar a Avaliação de Usabilidade do Editor de
WebQuests, orientada pelas 10 heurísticas de Nielsen [7], buscando aperfeiçoamento da
interface com o usuário. Poderão ser utilizados os padrões de projeto visando avaliar a
qualidade das WebQuests geradas. Esses padrões buscam garantir que a WebQuest
proporcione o desenvolvimento de habilidades de pensamento de nível elevado [8].
O Sistema será desenvolvido em linguagem Java bem como em outras tecnologias
compatíveis com a Web moderna.
O processo de modelagem do Editor de WebQuests que obedeça ao padrão IMS Learning
Design (IMSLD) foi iniciado com uma análise de equivalência entre os elementos
estruturantes, também denominados componentes, de uma WebQuest padrão e os elementos
mínimos e necessários da especificação IMSLD. A partir destes apontamentos, apresentamos
na Figura 2, um esboço da proposta de equivalência entre a estrutura de uma WebQuest com
seus elementos constitutivos ao padrão para especificação de Projetos de Aprendizagem IMS
Learning Design.
Figura 2. Proposta de mapa de equivalências entre WQ e IMSLD
58
A estrutura de uma WebQuest permite que a atividade executada pelos alunos possua as
características de um projeto, e no desenvolvimento de um projeto, em primeiro lugar, surge a
idéia, que na WebQuest é representada pela Introdução [1]. Além de apresentar o assunto e
despertar a curiosidade do aluno entendeu-se que a Introdução também deva informar ao
aluno quais são os pré-requisitos de entrada envolvidos nas atividades de aprendizagem a
nível de unidade de aprendizagem ou individual. A clara definição das habilidades a serem
empregadas/exercitadas na resolução/investigação de uma problemática é a principal
informação a ser apresentada no componente Tarefa. Além disso, este elemento, que evoca
uma ação e informa o que deve ser feito, proporciona a elaboração de um produto criativo que
entusiasme, motive e desafie os alunos. Por esta razão foi atribuída a relação entre Tarefa e o
elemento Peça, da especificação IMSLD. A Peça especifica que papéis desempenham que
atividades em que ordem. Uma Peça é modelada de acordo com uma peça teatral com os atos
e participações. Em geral: uma peça consiste de uma seqüência de Atos. Logo, é na seção
Tarefa em que devem ser especificados os tipos de atores que podem estar envolvidos, a ideia
geral da Tarefa com os títulos gerais das macro-atividades (SubTarefas/Peças) a serem
realizadas e sua ordem geral. O componente Processo descreve passo a passo a dinâmica da
atividade, ou seja, como os alunos irão caminhar para desenvolver a Tarefa. Dessa forma, este
componente foi relacionado ao elemento Ato, no qual, diversas atividades são definidas para
diferentes funções e são executadas em paralelo. Quando um Ato for concluído, os próximos
Atos começam até que sejam cumpridos os requisitos de conclusão do projeto de
aprendizagem [6]. Já o componente Recursos, são informações que permitem concretizar a
Tarefa em uma WebQuest. Normalmente, os Recursos são sites que o autor ou autores da WQ
já pesquisaram, verificaram a autenticidade e consideram relevantes e necessários para os
alunos. Entendemos que o elemento Ambiente da especificação de aprendizagem seja
equivalente a Recursos no IMSLD por ser uma coleção estruturada de objetos de
aprendizagem, serviços e sub-ambientes em que as atividades ocorrem.
A Avaliação em uma WebQuest, deve apresentar aos alunos, com clareza, como o resultado
da Tarefa será avaliado e quais fatores serão considerados. Por esta razão que a forma de
avaliação deverá ser por Rubrica, por ser considerada uma metodologia de avaliação
adequada, uma vez que permite avaliar a proficiência do avaliado em diferentes níveis e
possibilita detalhar a avaliação em um conjunto de indicadores direcionados para diagnosticar
problemas específicos, diminuindo ou eliminando a subjetividade, que é um problema muito
freqüente, não só na área acadêmica, mas também em outras atividades profissionais.
É oportuno destacar que com o desenvolvimento do Editor de WebQuests proposto neste
trabalho, um trabalho futuro consiste em promover a integração dele com um Editor de
Rubricas, já desenvolvido [9], visando desenvolver uma família de editores de módulos de
aprendizagem para uso em ambientes de apoio à aprendizagem baseados na Web.
O registro dos resultados obtidos com a WebQuest é representado no componente Conclusão.
Desse modo, a Conclusão resume o propósito geral do que foi aprendido e indica como o
aluno pode continuar os estudos sobre o assunto [1]. É na Conclusão que o elemento
Objetivos de Aprendizagem do IMSLD adiciona o resultado esperado para os alunos tanto a
nível global da Unidade de Aprendizagem como para cada atividade de aprendizagem única
no Projeto de Aprendizagem [6]. A Página do Professor, componente não obrigatório de uma
WebQuest mas bastante útil não foi relacionado explicitamente no modelo proposto pois as
informações que normalmente são encontradas neste componente, foram atenditas após a
equivalência com a especificação. Uma vez descritas todas as informações nos elementos
pertentecentes a Componentes e Métodos do padrão, entendeu-se que não há necessidade de
reproduzir estas informações na Página do Professor. Finalmente, o componente Créditos
aponta todo o material utilizado pelos autores para a preparação e construção da WebQuest
assim como informações para contatos. Por conta disso entendemos que o elemento
59
Metadados da especificação pode estar devidamente correspondido em Créditos. Os
Metadados trazem detalhes sobre os autores, palavras-chave, assunto, versão, localização,
regras de uso e propriedade intelectual, requisitos técnicos, tipo de mídia utilizada e nível de
interatividade, entre outras informações. Esta integração de elementos implica que a WQ
passa a ser considerada como uma Unidade de Aprendizagem, uma vez que cada componente
da WebQuest (WQ) possui rigorosamente um elemento equivalente à especificação de Projeto
de Aprendizagem IMSLD. Em outras palavras, a WebQuest representa uma UA por conter
os elementos necessários ao processo de ensino/aprendizagem.
Conclusão
O Editor proposto pode contribuir significativamente para o trabalho do professor, facilitando
o desenvolvimento de WebQuests, em especial quando atendem ao padrão de especificação
de aprendizagem IMS Learning Design. Esta integração, oferecida a partir de um LMS pode
contribuir para a aprendizagem concreta dos alunos por tornar os processos de aprendizagem
mais eficazes, permitindo condições de aprendizado ideais mais explícitas.
Além disso, ao tornar a WQ um IMSLD, possibilitará que a WebQuest se beneficie de
inúmeras outras Unidades de Aprendizagem IMSLD. Outra vantagem para a WQ seria o uso
de Rubricas na avaliação, pois ampliam possibilidades quanto ao ensino à distância ou
semipresencial, e as formas de avaliação. Para o ITA, ter uma ferramenta que integra o
Rubrica a um Ambiente de desenvolvimento de IMS-LD-WQ, numa perspectiva de usuário
de WebQuest, agrega valor à usabilidade e a acessibilidade do padrão IMS-LD e do Rubrica,
bem como possibilita maior difusão dessas ferramentas, permitindo que experts WQdevelopers desenvolvam bons conteúdos IMS-LD mas gerando uma WQ estruturada pelo
padrão IMSLD.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao ITA e ao IEAv pela oportunidade de realizar este trabalho.
Referências
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Disponível
em:
<http://webquest.sdsu.edu/designpatterns/all.htm>. Acesso em: 13 fev. 2013.
[9] CARVALHO, R Silva; FERNANDES, Clovis Torres. Easy Rubric: um Editor de
Rubricas no Padrão IMS Rubric. Anais do Workshop do Congresso Brasileiro de
Informática na Educação, 2012. p. 10-11.
Art.10
60
COMPARAÇÃO DA POROSIDADE DO CARBONO VÍTREO
MONOLÍTICO PRODUZIDO COM DIFERENTES MATERIAIS
CATALISADORES
1
J. C. Arisseto1; F. Dondeo 2*
Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos
Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: ácido, porosidade, carbonização, polimento.
Introdução
Dentre diversos tipos de carbonos poliméricos destaca-se o carbono vítreo monolítico (CVM)
[1,2], o qual possui este nome pois sua fratura e sua aparência são similares ao do vidro. O
CVM é obtido através da adição de um catalisador [3] à resina precursora rica em carbono,
como por exemplo, a resina furfurílica, para que assim ocorra a sua polimerização. Em
seguida o material é colocado em seus devidos moldes e, após alguns dias, as amostras, já
rígidas, são levadas ao forno a até 1200ºC — em atmosfera inerte ou vácuo para que haja
liberação de água, metano, hidrogênio, CO2, entre outros voláteis — onde serão carbonizadas.
Feita a carbonização, as amostras encontram-se com uma matriz pura de carbono.
Este projeto de Iniciação Cientifica teve como objetivo a comparação de diferentes tipos de
catalisadores a fim de reduzir a porosidade superficial das amostras de Carbono Vítreo, a qual
é a principal responsável pelo aparecimento de trincas nas peças carbonizadas [4].
Metodologia
Para que a comparação da porosidade do CVM fosse possível, empregaram-se os seguintes
catalisadores sobre a resina: p-tolueno sulfônico, ácido clorídrico, ácido nítrico, ácido
sulfúrico e o ácido fosfórico. Todos eles, com exceção do fosfórico (por já ser naturalmente
um ácido fraco), foram diluídos em água em uma razão de 1:1 (vol/vol). O p-tolueno
sulfônico é um ácido sólido e foi diluído em água na razão em massa de 70%.
Com um dos catalisadores já vertido sobre a resina, foi feita uma mistura manual por
aproximadamente 5 minutos seguida de centrifugação a 3000 rpm durante 7 minutos.
Posteriormente a isto, as amostras foram deixadas em repouso em seus respectivos moldes
plásticos. Dependendo do catalisador utilizado, alguns levaram mais tempo (horas ou até
mesmo dias) para se polimerizarem completamente em relação à outros. Porém, algumas das
peças não foram polimerizadas totalmente como o esperado, que foi o caso das amostras de
ácido sulfúrico, nítrico e fosfórico. Com isso, foi necessário um processo de cura dessas
amostras, as quais foram levadas ao forno até uma temperatura de 150ºC, controlada pelo
computador. Assim que foram curadas, as mesmas foram encaminhadas a um processo de
polimento utilizando-se primeiramente lixas de número 800 e 1500, posteriormente foram
polidas com discos para fibra óptica Fibrmet Discs de partículas de tamanho 12 e 9
micrometros, nesta ordem e finalizando-as com pó de alumina AROTEC (0,3 µm e 0,05µm,
nesta ordem). Todo esse processo foi necessário para que fosse possível analisá-las utilizandose uma magnificação de 100x no Microscópio Óptico Reichert Polyvar Met2. Foram
registradas pelo menos 10 imagens de cada superfície estudada e através delas, calculou-se a
média da porosidade e o diâmetro de Feret dos poros usando o software ImageJ.
61
As amostras restantes polimerizadas, além das já curadas, foram levadas diretamente ao forno
para uma carbonização à 1050ºC (com duração de 1 semana). Depois de carbonizadas, todas
as peças que ainda restavam ser polidas foram niveladas separadamente através do Rebolo e
depois coladas com cera de abelha em um prato de vidro. Em seguida, foram usinadas com
rebolo de diamante durante 4 horas, deixando-as niveladas. O prato foi todo polido com pó de
diamante de granulações de tamanho 6 µm e 1 µm com duração de 8 horas cada uma. O
resultado final de todo este procedimento pode ser observado na Figura 1.
Figura 1. Prato de vidro com as amostras de CVM já polidos
Um resumo dos dados e processos envolvendo cada catalisador é indicado na Tabela 1:
Catalisador
Tabela 1. Amostras preparadas
Concentrações
Cura
(%)
0,5; 1,5; 2; 3;
4; 4,5
1; 1,5; 2
150ºC*
Carbonização
Ácido clorídrico
970~1200ºC
(HCl)
P-tolueno sulfônico
970~1200ºC
Ácido sulfúrico
0,5; 2,2; 4,6
150ºC*
1050ºC
(H2SO4)
Ácido nítrico
0,5; 3; 4,5
150ºC
1050ºC
(HNO3)
Ácido fosfórico
0,5; 1,5; 4,5
150ºC*
1050ºC
(H3PO4)
*Amostras que sofreram deformação durante o processo de cura.
Em relação ao tempo de polimerização, os mais rápidos foram com o ácido clorídrico, ácido
nítrico e p-tolueno sulfônico. O contrário ocorreu com os ácidos sulfúrico e fosfórico, os quais
demoraram semanas para se enrijecerem, principalmente as amostras feitas em menores
concentrações. Já em relação à porosidade, apenas as peças de ácidos sulfúrico (2,2% e 4,6%),
nítrico (0,5%), fosfórico (1,5% e 4,5%), clorídrico (2%) e p-tolueno (1,5%) foram analisadas
duas vezes pelo microscópio até o momento: primeira vez feita após o processo de cura e a
segunda realizada após a carbonização. É importante citar que depois de terminada essa fase
de cura, as amostras de H2SO4 e H3PO4 apresentaram uma grande deformação em sua
estrutura (Aparecimento de uma região vazia após corte da amostra). Tal acontecimento devese possivelmente ao fato das peças não terem sido polimerizadas totalmente, uma vez que esta
62
0
H2SO4 4.6%
H2SO4 2.2%
H3PO4 4.5%
HNO3 0.5%
24 cured at 150ºC
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
HCl 2.0%
Feret (m)
H2SO4 4.6%
H2SO4 2.2%
H3PO4 1.5%
H3PO4 4.5%
5
HNO3 0.5%
10
HCl 2%
15
p-tolu 1.5%
Porosity (%)
20
cured at 150ºC
p-tolu 1.5%
25
H3PO4 1.5%
região não curada liberou uma grande quantidade de gases e voláteis para a superfície,
ocasionando então este inchaço nas amostras.
Segundo as imagens obtidas de cada amostra curada e os dados sobre a porosidade
apresentados pelo programa ImageJ, percebeu-se que o HNO3, H2SO4 2,2% e H3PO4
apresentaram baixa porosidade; e o p-tolueno sulfônico alta quantidade de poros. Nas Figuras
2 e 3 estão indicados respectivamente os valores de porosidade média e a média do diâmetro
de Feret dos poros de cada catalisador.
Catalyst
Catalyst
Figura 2. Porosidade média.
Figura 3. Média de diâmetro de Feret.
10
5
4
3
8
HNO3 0.5%
12
carbonized at 1050ºC
HCl 2%
6
14
p-tolu 1.5%
7
HNO3 0.5%
Porosity (%)
8
carbonized at 1050ºC
Feret (m)
9
HCl 2%
10
p-tolu 1.5%
Em seguida, após as amostras terem sido carbonizadas, repetiu-se novamente o processo de
captura de pelo menos 10 imagens de cada peça, porém desta vez utilizando apenas uma
amostra de cada catalisador (os quais foram citados acima), e foram feitas suas análises.
Curiosamente, a quantidade de poros presente e seus diâmetros de Feret apresentados após
esta segunda etapa de carbonização diminuíram, assim como também ocorreu uma redução no
volume das amostras, como pode ser observado pelas Figuras 4 e 5. Com isso, percebeu-se o
quanto a fase inicial da polimerização, a catálise, centrifugação, as características da resina, a
temperatura de cura, entre outros processos são importantes, a fim de tentar evitar desde o
começo a formação de muitos poros.
6
4
2
2
1
0
Catalyst
Figura 4. Porosidade média.
0
Catalyst
Figura 5. Média de diâmetro de Feret.
Conclusão
Segundo as informações, análises, comparações e dados obtidos durante os experimentos
realizados nesta trajetória do projeto, as amostras que apresentaram mais características
favoráveis em relação à porosidade após a cura e a carbonização foram os ácidos nítrico e
clorídrico. Já o ácido fosfórico e sulfúrico foram descartados devido ao fato destes possuírem
o maior tempo necessário para a polimerização e também por apresentarem uma deformação
durante o processo de cura.
63
Agradecimentos
Ao PIBIC/CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica e ao IEAv pela oportunidade.
Referências
[1] ZARZYCKI J.; Materials Science and Technology – a Comprehensive Treatment –
Vol. 9 Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer,
Weinheim, New York, Basel, Cambridge, 1991.
[2] JENKINS, G. M.; KAWAMURA K.; Polymeric carbons – carbon fibre, glass and
char, Cambridge, New York, Cambridge University Press, 1976.
[3] CHENG L. T., , TSENG W. J, J. Polym. Res. 17, (2010) 391-399.
[4] FERNANDES L.; DONDEO F.; DAMIÃO A. J., Influência do catalisador na porosidade
do carbono vítreo monolítico. Anais do 1ª Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, 2012,
São José dos Campos, Brasil.
Art.11
64
CARACTERIZAÇÃO DE PADRÕES DE RUGOSIDADE DE CARBONO
VÍTREO IRRADIADOS A LASER
1
A. Aumiller1, F. Dondeo2*
Universidade Federal de São Paulo – Instituto de Ciência e Tecnologia, São José dos
Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: carbono vítreo monolítico; laser pulsado; padrões periódicos de rugosidade;
laser Nd-Yag.
Introdução
O Carbono Vítreo Monolítico (CVM) [1] é um material de carbono puro, classificado como
carbonoso de origem polimérica que combina as propriedades dos materiais cerâmicos e
vítreos com as propriedades do grafite, fato que o leva a possuir uma grande variedade de
propriedades materiais únicas e também a possuir inúmeras aplicações em diferentes setores
[2].
Nesse projeto, o CVM foi utilizado para a produção de padrões de rugosidade, ranhuras
paralelas irradiadas a laser, que possuem medidas conhecidas, obtidas por meio da medição de
uma superfície, e que servem como referência para calibrar Rugosímetros.
O motivo da escolha desse material se deu ao fato de que, ao começar o processo de
irradiação das ranhuras na amostra, o laser faz com que o oxigênio e o carbono (presente na
amostra) reajam, e a conseqüência disso é a formação e liberação de CO2, perda de massa e a
geração de uma ranhura sem resíduos no local de acordo com o movimento do feixe de laser
ou da mesa XY.
O objetivo deste trabalho foi encontrar, por meio da análise dos dados obtidos tanto no
microscópio óptico quanto no rugosímetro, as melhores condições e parâmetros do laser
empregado na irradiação das amostras de CVM.
Essas amostras irradiadas servirão como base para o desenvolvimento de padrões de
rugosidade que possuam valores conhecidos e sejam utilizados na calibração de rugosímetros
[3].
Metodologia
Utilizaram-se amostras de CVM produzidas no próprio IEAv, a partir da resina furfurílica.
Na primeira metade do projeto utilizou-se o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) com velocidade de
varredura do laser de 7 cm/s e variando-se o número de passadas do feixe sob a amostra em 1,
2, 3, 4, 6, 8, 9 e 12 passadas, com o objetivo de produzir micro ranhuras paralelas nas
amostras. No Laser Nd-Yag (2º Harmônico) o feixe de laser se movimenta sob a superfície da
amostra parada, por meio de movimentos de espelhos dentro do dispositivo ScanHead,
posicionado entre o laser e a amostra. Podemos observar as informações referentes aos Lasers
utilizados no projeto na Tabela 1.
Para tais experimentos foram utilizadas amostras de CVM que ainda estavam polimerizadas e
que foram posteriormente carbonizadas a 1200º C em um forno tubular EDG após a
irradiação.
Utilizaram-se também amostras que já se encontravam na forma de CVM, ou seja, já haviam
sido submetidas à carbonização a 1200ºC e depois sofreram o processo de irradiação
mantendo-se as mesmas condições do laser.
65
Ainda utilizou-se uma amostra de CVM previamente carbonizada a 1200ºC que foi irradiada
pelo Laser AVIA 355-7000 modelo 355-x, 3º Harmônico [4]. Escolheu-se o laser Nd-Yag (3º
Harmônico) pelo fato de que, sendo o seu diâmetro de feixe focalizado menor e a intensidade
maior, o laser produzia ranhuras mais regulares, mais espessas e sem tantas trincas e defeitos.
No Laser Nd-Yag (3º Harmônico), a amostra é movimentada por meio de uma mesa
coordenada XY, controlada por computador, que permite a marcação da amostra com
velocidade controlada.
Na segunda metade do projeto foram utilizadas três amostras de CVM, as quais foram
respectivamente pré-carbonizadas a 1200º C, polidas, e irradiadas pelo Laser Nd-Yag (3º
Harmônico), utilizando-se diferentes velocidades de varredura do laser (50 mm/min, 100
mm/min, 300 mm/min e 500 mm/min) e variando-se o número de passadas do feixe sob a
amostra em 1, 2 e 4 passadas.
Com o objetivo de coletar fotomicrografias das microranhuras geradas pelo Laser, todas as
amostras irradiadas foram submetidas a uma análise microscópica por meio do microscópio
óptico Reichert Polyvar 2 Met. O passo seguinte foi utilizar o Rugosímetro Taylor Robson
PGI-1000, que é um dispositivo que fornece o detalhamento, em duas ou três dimensões, da
topografia da superfície de uma amostra.
A análise dos resultados foi realizada através do software TalyMap Gold. Essa medição é
realizada por meio de um apalpador de diamante, que se desloca ao longo do material, e mede
os picos e vales da amostra.
Por meio do rugosímetro, foram obtidos resultados importantes para se definir os melhores
parâmetros e condições para a irradiação de ranhuras nas amostras.
Tabela 2: Parâmetros dos lasers empregados.
Nd:YAG (2º
Nd:YAG (3º
Harmônico)
Harmônico)
Marca
Quantronix
AVIA
λ (nm)
532 (verde)
355 (ultravioleta)
Diâmetro focal (m)
300
50
Largura temporal (ns)
120
33
5
1,2
0,021
0,132
5,05
0,032
Taxa de repetição dos
pulsos (kHz)
Intensidade média
(mW/m2)
Intensidade de pico
(W/
Utilizando o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) foi elaborado um gráfico comparativo [Figura 1]
entre a profundidade total das ranhuras da amostra de CVM, irradiada quando ainda era resina
polimerizada e depois aquecida a 1200ºC, e a amostra de CVM que foi irradiada após ser
carbonizada a 1200º C.
Ambas as amostras foram irradiadas sob as mesmas condições do Laser Nd-Yag (2
Harmônico), utilizando uma potência de 1 W a uma velocidade de varredura do laser de 7
cm/s, o que nos mostra que a diferença de profundidade entre as ranhuras das duas amostras
analisadas é bastante significativa.
66
Figura 1. Gráfico de comparação entre a profundidade total das ranhuras das
amostras CVM e Resina Polimerizada.
Por meio dos dados obtidos com o Laser AVIA 355-7000, nota-se que a ranhura da amostra
de CVM irradiada a Laser Nd-Yag (2º Harmônico) [Figura 2] é menos regular, não tão
definida e possui mais trincas que a ranhura da amostra de CVM irradiada a Laser Nd-Yag (3º
Harmônico) [Figura 3].
Figura 2. Magnificação 100X de ranhura da
amostra de CVM irradiada por laser Nd-Yag
(2º Harmônico).
Figura 3. Magnificação 100X de ranhura da
amostra de CVM irradiada por laser Nd-Yag
(3º Harmônico).
Podemos observar essa diferença também no perfil de rugosidade da amostra de CVM que foi
irradiada a 2 passadas de Laser Nd-Yag (2º Harmônico) quando já havia sido carbonizada
[Figura 4], e no perfil de rugosidade de outra amostra de CVM, a qual foi irradiada a 2
passadas de Laser Nd-Yag (3º Harmônico) [Figura 5]. Foram detectadas irregularidades nas
ranhuras produzidas pelo Laser Nd-Yag (3º Harmônico) [Figura 6].
µm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1
0 .7 5
0 .5
0 .2 5
0
-0 .2 5
-0 .5
-0 .7 5
-1
-1 .2 5
-1 .5
-1 .7 5
0
M ax imum dept h
0 .2 5
0 .5
0 .7 5
1
1 .2 5
1 .5
1 .7 5
2
2 .2 5
2 .5
2 .7 5
3
3 .2 5
3 .5
3 .7 5
4
4 .2 5 m m
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
0.577 µm
0.607 µm
0.440 µm
0.558 µm
0.502 µm
0.523 µm
0.484 µm
0.559 µm
0.533 µm
0.601 µm
0.665 µm
0.595 µm
0.580 µm
0.481 µm
Figura 4. Perfil de ranhura da amostra de CVM gerado pelo rugosímetro. A amostra foi
irradiada por Laser Nd-Yag (2º Harmônico) com 2 varreduras de laser.
M ean dept h
Widt h
0.461 µm
0.454 µm
0.364 µm
0.452 µm
0.421 µm
0.451 µm
0.433 µm
0.446 µm
0.416 µm
0.474 µm
0.511 µm
0.467 µm
0.451 µm
0.414 µm
0.0335 mm
0.0348 mm
0.0316 mm
0.0339 mm
0.0356 mm
0.0329 mm
0.038 mm
0.0348 mm
0.0403 mm
0.0367 mm
0.0385 mm
0.0349 mm
0.0366 mm
0.033 mm
67
µm
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
0
M a xim u m d e p th
0 .2 5
1 .5
1 .7 5
1
0 .5
2
0 .7 5
3
1
1 .2 5
4
5
6
2
7
2 .2 5
8
2 .5
9
2 .7 5
10
3
11
3 .2 5
12
3 .5
3 .7 5
13
4
14
4 .2 5 m m
15
3 .6 2 µm
2 .5 3 µm
4 .1 0 µm
3 .1 2 µm
4 .6 0 µm
3 .7 4 µm
3 .5 3 µm
2 .7 3 µm
3 .6 5 µm
2 .7 5 µm
3 .8 0 µm
3 .8 0 µm
3 .2 0 µm
3 .1 4 µm
3 .3 5 µm
Figura 5. Perfil de ranhura da amostra de CVM gerado pelo rugosímetro. A amostra foi
irradiada por Laser Nd-Yag (3º Harmônico) com 2 varreduras de laser.
M e a n d e p th
Wid th
3 .3 6 µm
2 .3 9 µm
3 .6 9 µm
2 .9 1 µm
4 .1 1 µm
3 .4 3 µm
3 .1 7 µm
2 .5 7 µm
3 .3 3 µm
2 .5 9 µm
3 .3 5 µm
3 .4 4 µm
2 .9 6 µm
2 .9 0 µm
3 .1 2 µm
0 .0 6 1 5 m m
0 .0 3 8 4 m m
0 .0 6 4 9 m m
0 .0 5 2 1 m m
0 .0 6 9 4 m m
0 .0 5 9 1 m m
0 .0 5 5 5 m m
0 .0 4 3 5 m m
0 .0 5 7 9 m m
0 .0 4 4 7 m m
0 .0 5 8 8 m m
0 .0 6 2 m m
0 .0 5 2 7 m m
0 .0 5 2 1 m m
0 .0 5 3 7 m m
Realizaram-se diversos testes com o intuito de se identificar a causa desse problema.
Descartaram-se as suspeitas iniciais de que essas irregularidades periódicas fossem
conseqüência de uma flutuação da intensidade do Laser Nd-Yag (3º Harmônico) ou de uma
ressonância nos motores de passo da mesa XY.
Este erro foi devido a um problema no computador no qual o software controlava a mesa XY
operava, feito a substituição do computador por outro, o problema foi sanado e os
experimentos decorreram normalmente, fato que pode ser visto na comparação das
fotomicrografias representadas nas figuras 7 e 8 respectivamente.
Figura 6. Imagem 3D da amostra de CVM com irregularidades periódicas, irradiada pelo
Laser UV (3º Harmônico) com 2 varreduras de laser, gerada pelo rugosímetro.
Figura 7. Ranhura com irregularidades
periódicas, da amostra de CVM irradiada por
Laser Nd-Yag (3º Harmônico).
Figura 8. Ranhura sem irregularidades
periódicas, da amostra de CVM irradiada por
Laser Nd-Yag (3ºHarmônico).
68
Conclusões
Considerando os dados obtidos, pode-se observar que: em relação às amostras irradiadas pelo
Laser Nd-Yag (2º Harmônico), as ranhuras das amostras que foram irradiadas após serem
carbonizadas não apresentaram o formato periódico desejado das ranhuras, além de terem
profundidade reduzida. Sendo assim, verificou-se que o Laser Nd-Yag (2º Harmônico) não é o
ideal para esse tipo de amostra. Somente alcançaram-se bons resultados com a irradiação de
amostra polimerizada. Ao comparar os resultados obtidos pelo Laser Nd-Yag (3º Harmônico),
que apresenta maior intensidade, com os resultados preliminares obtidos pelo Laser Nd-Yag (2º
Harmônico), conclui-se também, que as amostras irradiadas pelo o Laser Nd-Yag (3º
Harmônico) apresentaram ranhuras mais regulares e sem trincas. Observou-se também uma
interessante aplicação do CVM em um escopo fora do previsto no início do projeto. Depois de
solucionado o problema no computador, concluiu-se que o CVM, ao ser irradiado pelo laser,
gera uma “impressão digital” do laser no material, a qual pode ser útil no que diz respeito à
detecção de alterações e defeitos relacionadas ao laser e aos seus mecanismos de controle como
por exemplo, o computador que opera o laser. Com isto, conclui-se que este projeto teve
importância na busca por parâmetros e informações que servirão como base para o
aperfeiçoamento desse método alternativo aos conhecidos atualmente, no que diz respeito ao
desenvolvimento de padrões de rugosidade que possuam valores conhecidos e sejam utilizados
na calibração de rugosímetros.
Agradecimentos
Ao PIBIC/CNPq pela Bolsa de Iniciação Científica, ao IEAv, aos doutorandos. Emmanuela
Melo De Andrade Sternberg e José Guilherme Simões pelo apoio.
Referências
[1] ZARZYCKI, J. Materials Science and Technology – A Comprehensive Treatment – Vol. 9
Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim, New
York, Basel, Cambridge, 1991.
[2] SHACKELFORD, J.F. Introduction to Materials Science for Engineers. [S.I]: Prentice Hall
Ptr, 1988.
[3] DONDEO, F.; DAMIÃO, A.; SIMÕES, G.M.; AUMILLER, A. Anais do XXXIIII
CBRAVIC, pag. 64 (2012).
[4] SANTOS, C. Determinação dos parâmetros ótimos de operação de um laser de Cu-HBr.1999.
115p. Tese (Mestrado) - Curso de Física, Departamento de Física Atômica e Nuclear, Ita, São
José dos Campos.
Art.12
69
DEPOSIÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DE ESPELHOS SOBRE O
CARBONO VÍTREO MONOLÍTICO
B. T. Sais1; F. Dondeo²*
Universidade Federal de São Paulo – ICT, São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – EFO-O, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: carbono vítreo, deposição, espelhos, limpeza, filme fino.
Introdução
Carbono Vítreo Monolítico (CVM) [1,2] é um material feito de carbono, e sua configuração
não é natural, ou seja, não é encontrada na natureza. É feito a partir de uma resina rica em
carbono (normalmente a furfurílica ou a fenólica), polimerizada e, depois, carbonizada a altas
temperaturas. É um material de diversas características interessantes: inerte quimicamente,
rígido, condutor de eletricidade, biocompatível, resistente a altas temperaturas e apresenta
baixa densidade (1,5 g/cm³) sendo, portanto, bastante leve.
Filme fino é qualquer camada (ou conjunto de camadas) de material, líquido ou sólido, cuja
espessura é inferior a 10 µm. Possuem diversas aplicações, de lentes anti-reflexo à células
solares. Podem ser de dois principais tipos: transparentes e refletores, sendo o último aplicado
na obtenção de espelhos, objetivo deste trabalho.
Uma das formas de deposição de filmes finos, inclusive para a produção de espelhos, são as
deposições a vácuo, sendo um dos principais tipos o sputtering, também conhecido como
pulverização catódica. O sputtering é um método que consiste no bombardeio de um alvo (do
material que será feito o filme) com partículas aceleradas de um gás inerte, normalmente o
argônio (por ser mais pesado e menos custoso). Quando o gás colide contra o alvo, arrancalhe partículas, que são condensadas sobre o substrato, criando o filme fino.
Para analisar-se a qualidade de um espelho, diversas propriedades devem ser estudadas, como
a rugosidade do filme especular e sua refletividade, que é a relação entre o fluxo de luz
incidente numa superfície e o fluxo refletido.
Unindo-se as características já citadas do carbono vítreo (baixa densidade e resistência,
mesmo a altas temperaturas) e as técnicas de deposição de filme fino, conclui-se que espelhos
espaciais feitos a partir de tal substrato são possivelmente mais interessantes do que os
espelhos confeccionados em vidro.
Teoria sobre rugosidade
A rugosidade de uma superfície pode ser avaliada por diferentes parâmetros de rugosidade,
cada um deles definido de uma forma diferente. Há dois parâmetros especialmente relevantes
na rugosidade: o Ra e o Rz. Ra define-se como a rugosidade média da superfície, sendo então
a soma das áreas acima e abaixo da linha média dividida pelo comprimento L adotado. Rz é
média da distância vertical entre o pico mais alto e o vale mais profundo dentro de um
comprimento L. Este comprimento L é dividido em cinco comprimentos de amostragem
denominados cutoffs, dentro do qual a diferença entre o pico mais alto e o vale mais baixo é
calculado. A Fig. 01 mostra um perfil cujo Ra é calculado, sendo as partes escuras referentes
às áreas dos picos e vales. A Fig. 02 mostra a mesma imagem, agora ajustada para o cálculo
do Rz. Z1, Z2, Z3, Z4 e Z5 mostram a divisão da área em cinco cutoffs.
70
Figura 01. Perfil de Ra.
Figura 02. Perfil de Rz.
A equação 1 mostra como o cálculo do Ra é feito. A equação 2 mostra o cálculo do Rz.
Sendo A, na equação 1, a soma das áreas dos picos e dos vales dentro de um comprimento L
da amostra. Na equação 2, o termo n significa a divisão feita dentro do comprimento L (no
caso, n=5).
Metodologia
Inicialmente, foi feita a caracterização de uma amostra de carbono vítreo monolítico
produzida no IEAv, a 1100 ºC e de formato cilíndrico. Essa foi primeiramente lixada em lixas
d’água, com granulações de 600, 800 e 1200. O tempo total de lixamento foi de três semanas,
sendo que a superfície da amostra após este período ainda mostrava-se pouco homogênea. A
fim de otimizar o processo, a amostra foi polida com pó de carbeto de silício. O acabamento
deu-se com pano azul de polimento e solução de alumina com água.
A limpeza da peça, para remover resíduos do polimento e gordura, foi feita em três ciclos de
ultrassom, contando cada ciclo com uma etapa de limpeza em água destilada e sabão neutro e
outra de álcool isopropílico. Sem um processo eficaz de limpeza, uma camada de sujeira
atrapalharia ou impossibilitaria a adesão do filme ao substrato de carbono vítreo.
Após a lavagem, a peça foi levada ao rugosímetro Taylor Robson PGI 1000, para possibilitar
uma comparação nas rugosidades da peça sem e com o filme.
A amostra foi então colocada em uma câmara de deposição por dc-sputtering, onde a pressão
foi reduzida a 10-5 mbar e, em seguida, foi depositado filme especular com alvo de alumínio.
Novamente a rugosidade da amostra, agora com o filme fino, foi medida no rugosímetro. A
refletância difusa da amostra também foi feita, num espectofotômetro JASCO, com acessório
de esfera integradora, capaz de medir no intervalo entre 220 nm e 2000 nm.
Em seguida, dezenove pastilhas de carbono vítreo monolítico foram coladas em um prato de
polimento com piche vegetal e levadas à usinagem, onde sofreram processo de polimento e
esmerilhamento. O piche vegetal foi empregado por possuir baixo ponto de fusão
(aproximadamente 70ºC). Terminado o processo, microscopia das mesmas foram obtidas em
um microscópio Reichert Polyvar 2 com magnificação total de 25x, para que a porosidade das
amostras fosse medida. A análise de porosidade foi realizada com o software ImageJ. A
rugosidade Ra e Rz das amostras também foram medidas, através do rugosímetro Taylor
Robson PGI 1000. Em algumas amostras, se mediu a rugosidade numa área, ao invés de uma
71
linha. Neste caso, os parâmetros lineares Ra e Rz são renomeados de Sa e Sz por se tratar de
uma superfície.
Após esta análise, o prato de polimento foi imerso em querosene por um dia. O piche ao redor
das pastilhas dissolveu-se, porém, o piche que colava as amostras apenas amoleceu, sendo
necessário exercer esforço mecânico com um bastão de vidro para descolar as amostras do
prato. Iniciou-se então metódico processo de limpeza das amostras, visando selecionar um
meio eficaz e otimizado para remover-se o piche das mesmas.
Tendo o CVM poros em sua superfície, parte da cera ou piche utilizados para colá-lo no prato
de polimento migram para o interior destes poros, prejudicando a qualidade e contaminando o
filme fino a ser depositado. A Fig. 3 mostra as pastilhas de CVM polidas e esmerilhadas,
coladas no prato de polimento com piche vegetal. A Fig. 4 mostra uma microscopia em
magnificação total 25x de uma amostra contaminada de piche vegetal.
Logo, numa etapa fundamental deste trabalho, procurou-se um método de limpeza eficaz do
substrato polido de CVM para a deposição de espelhos. As dezenove pastilhas de CVM foram
divididas em lotes, e cada um foi testado com um solvente diferente, sendo os solventes
testados: querosene, acetona, álcool isopropílico, benzeno, hexano e diversos ácidos, como
HNO3, H3PO4, H2SO4, HCl e ácido glacial. Verificou-se que o método mais eficaz foi a
limpeza em ultrassom com acetona aquecida a 60ºC, por no mínimo três ciclos. Uma limpeza
com álcool isopropílico após o ciclo da acetona foi realizada, visto que a acetona deixa uma
película oticamente desfavorável no substrato. A Fig. 5 mostra uma microscopia em
magnificação total 25x, da amostra após a limpeza.
Figura 3. Substratos de CVM polidos e esmerilhados.
Figura 4. Micrografia da amostra suja de piche vegetal, sem tratamento.
72
Figura 5. Micrografia da amostra retratada na figura 4, após limpeza.
A Fig. 6 exibe o perfil da amostra sem e com filme. A Tab. 1 exibe os resultados de Sa e Sz
obtidos antes e após a deposição, sendo a proximidade de tais valores (e considerando-se que
não foi medida exatamente a mesma área após a deposição) prova de que o filme se molda ao
substrato.
Figura 6. Comparação das amostras sem filme (esquerda) e com filme (direita).
Tabela 1. Parâmetros de rugosidade comparados entre a amostra sem filme e com filme.
Sa
Sz
Amostra
SEM filme
Amostra
COM filme
0,392 µm
9,99 µm
0,436 µm
13,7 µm
Diferença entre
os padrões
antes e após
deposição
0,044 µm
3,71 µm
A Fig. 7 mostra o espelho obtido com a deposição. A Fig. 8 mostra o resultado da
refletividade. Comparou-se a refletividade do espelho com a de uma lâmina de vidro, sobre o
qual foi depositado o mesmo filme metálico simultaneamente à peça.
Figura 7. Espelho obtido com a deposição por dc-sputtering em peça de CVM polida,
esmerilhada e limpa.
73
Figura 8. Comparação entre e refletância do filme da amostra e do filme de uma lâmina de
vidro.
Vemos que na lâmina, a média desta refletância foi de 30%, e na amostra, de 17%. Sendo a
faixa aceitável de refletância para um espelho na faixa de 90%, notamos que o espelho
fabricado tem baixa refletividade, devido à sua rugosidade.
O espelho de alumínio produzido oxidou-se rapidamente, sugerindo a necessidade de um
filme intermediário entre o substrato e o filme metálico.
Devido à limitações técnicas (manutenção das três câmaras de deposição da EFO-O), novos
espelhos sobre CVM serão depositados após a manutenção destes equipamentos.
Conclusões
Analisando-se os resultados obtidos, nota-se que o polimento da amostra é um ponto crucial
para a confecção de espelhos de qualidade, visto que o filme fino acompanha a superfície do
substrato, inclusive suas imperfeições. A limpeza da amostra também é muito significativa,
sendo o melhor método para a limpeza do piche vegetal diversas lavagens em ultrassom, com
acetona aquecida.
Verificou-se também que a porosidade da amostra é um fator muito importante para a
confecção de filmes finos de qualidade satisfatória.
Agradecimentos
Ao CNPq pela bolsa PIBIC oferecida, e ao IEAv pela oportunidade.
Referências
[1] ZARZYCKI, J; Materials Science and Technology – a Comprehensive Treatment, v. 9
- Glasses and Amorphous Materials, ed. R. W. Cahn, P. Haasen and E. J. Kramer, Weinheim,
New York, Basel, Cambridge, 1991.
[2] JENKINS, G. M.; KAWAMURA, K.; Polymeric carbons – carbon fibre, glass and
char, Cambridge. New York, (Cambridge University Press, 1976).
Art.13
74
ESTUDO TERMOCINÉTICO DAS REAÇÕES DO METANOTIOL COM
OS ÁTOMOS DE OXIGÊNIO E ENXOFRE
D. V. V. Cardoso1*; L. dos A. Cunha1; L. F. A. Ferrão1; R. F. K. Spada1; O. Roberto-Neto2; F.
B. C. Machado1
1
Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), São José dos Campos-SP
2
Instituto de Estudos Avançados (IEAv), São José dos Campos-SP
*[email protected]
Palavras-chave: Reações de abstração; termoquímica; cinética química.
Introdução
Moléculas contendo enxofre têm um impacto significativo em reações químicas que ocorrem
no meio atmosférico [1,2]. Neste trabalho, estudaram-se reações elementares de abstração de
hidrogênio (R1 = CH3SH + X → CH3S + XH; R2 → CH2SH + XH) e de adição (R3 → CH3 +
SHX) da molécula de metanotiol (CH3SH) com os átomos de O e S (3P). Estas reações estão
presentes como etapas elementares nos mecanismos propostos para o entendimento do ciclo
do enxofre [3,4]. O objetivo deste trabalho foi usar métodos de cálculos de estrutura
eletrônica e de dinâmica química no estudo das reações elementares do metanotiol com
oxigênio e enxofre. Sendo estes átomos isovalentes, uma análise comparativa destas reações
também foi objetivo do presente estudo.
Metodologia
Os cálculos dos parâmetros cinéticos para as reações foram realizados utilizando a Teoria do
Estado de Transição (TST – Transition State Theory) [5,6]. Os parâmetros energéticos e
estruturais para os cálculos das taxas de reação foram obtidos com o método da Teoria do
Funcional da Densidade (DFT), usando o funcional BB1K [7] com o conjunto de função base
de correlação consistente de Dunning, conhecido na literatura como aug-cc-pVTZ [8]. Para o
átomo de enxofre foi utilizada a base de Dunning modificada com a inclusão de um orbital d
compacto, chamada aug-cc-pV(T+d)Z [9], pois essa base apresenta convergência adequada no
limite da base completa. Nesse sentido, foram realizadas correções das barreiras clássicas e
das energias das reações com cálculos pontuais utilizando o método CCSD(T) [10], com seus
resultados extrapolados para o limite do conjunto de funções de base completo, “complete
basis set (CBS)” [11]:
E (CBS ) 
( E (n)  n3 )  ( E (n  1)  (n  1)3 )
n3  (n  1)3
(45)
onde E n  , com n = 3, 4, é a energia ou outra propriedade calculada com a base aug-ccpV(n+d)Z, com n = T (valência triplicada), Q (valência quadruplicada), e E(CBS ) representa
o valor de energia no limite CBS. Os valores de energia obtidos com esta extrapolação serão
denotados no decorrer do texto por CCSD(T)/CBS e o conjunto base por A(n+d)Z. As
constantes de velocidade (k) foram corrigidas com o efeito do tunelamento utilizando as
aproximações de curvatura zero (TST/ZCT - Zero Curvature Tunneling) [12] e de Wigner
(TST/W) [13].
75
As propriedades termodinâmicas calculadas para as reações de metanotiol com os átomos de
oxigênio e enxofre estão apresentadas na Tabela 1, que são a barreira adiabática ( VaG , ‡) e a
entalpia de reação a 0 K ( H 0 ) para as duas reações ocorrendo nos três caminhos reacionais.
Na Figura 1 estão representadas as curvas de Potencial de Energia Eletrônico (VMEP) e do
Potencial Vibracional Adiabático (VaG).
Tabela 1. Parâmetros termoquímicos (em kcal/mol) calculados com os métodos BB1K/augcc-pV(T+d)Z e CCSD(T)/CBS//BB1K (entre parênteses).
CH3SH + O
CH3SH + S
G, ‡

G, ‡
Va
H 0
Va
H 0
R1
2,02
-14,22
3,73
0,57
(0,47)
(-16,00)
(4,62)
(2,10)
R2
4,40
-6,80
11,86
7,99
(5,47)
(-7,78)
(13,24)
(9,30)
R3
2,02
-20,94
6,57
-3,43
(1,29)
(-24,88)
(7,94)
(-1,76)
V (kcal/mol)
40
G
CH3SH + O
Va
50
G
30
40
20
30
VMEP
10
0
-10
-2
R1
R2
R3
-1
Va
R1
R2
R3
20
10
CH3SH + S
VMEP
0
0
1
s (bohr)
2
3
-4
-3
-2
-1
0
s (bohr)
1
2
3
Figura 1. Comparação das curvas de energia potencial do caminho de mínima energia (VMEP)
e do potencial vibracional adiabático (VaG) em função das coordenadas de reação.
Nas reações em estudo, as barreiras adiabáticas obtidas com o método BB1K diminuem
quando se utiliza o método CCSD(T)/CBS//BB1K para a reação CH3SH+O, enquanto que
para a reação CH3SH+S há um aumento da barreira quando se utiliza o método mais
correlacionado, como observado na Tabela 1. Verifica-se ainda que os valores das barreiras
são bem maiores para a reação de metanotiol com o enxofre em relação à reação ocorrendo
com o oxigênio. Os valores de entalpia mostram que para a reação CH3SH+O todos os
caminhos reacionais são exotérmicos e para CH3SH+S, os caminhos reacionais R1 e R2 são
endotérmicos e o caminho reacional R3 é levemente exotérmico.
Observa-se também pela Figura 1 que na reação CH3SH+O, a correção da energia do ponto
zero inverte a ordem dos caminhos reacionais, o que não acontece na reação CH 3SH+S, ou
seja, a ordem dos caminhos reacionais para esta reação é a mesma tanto para o VMEP quanto
para o VaG. A importância da ordem das reações é refletida na razão de ramificação (Figura 2)
que mostra a contribuição de cada caminho na constante de velocidade total da reação em
função da temperatura.
76
Para uma temperatura de 300 K, verifica-se que para a aproximação TST/ZCT, as razões das
constantes de velocidade ajustadas para cada caminho reacional calculadas com o método
CCSD(T)/CBS/A(Q+d)Z//BB1K/A(T+d)Z correspondem a 92%:4,6%:0,2% para a reação
CH3SH + O e 100%:0%:0% para CH3SH + S na seguinte ordem dos caminhos reacionais
(R1:R3:R2). Observou-se que para baixas temperaturas, o caminho reacional correspondente
à abstração do hidrogênio no grupo tiol foi o mais importante para as duas reações e o
caminho reacional R2 é o menos importante. No entanto, para altas temperaturas esse
comportamento se modifica, pois esse caminho reacional é o segundo mais importante,
passando a ser competitivo com o caminho reacional R1, e ultrapassando em importância o
caminho reacional R3 a partir de 1000 K.
1,0
CH3SH + S
CH3SH + O 1,0
Razão de ramificação
0,8
0,8
0,6
0,4
CCSD(T)/CBS//BB1K
k1/kt
0,2
0,6
k2/kt
0,4
k3/kt
0,2
0,0
CCBS(T)/CBS//BB1K
k1/kt
k2/kt
k3/kt
0,0
0
500 1000 1500 2000 2500 3000
0
500 1000 1500 2000 2500 3000
Temperatura (K)
Temperatura (K)
Figura 2. Comparação da razão de ramificação para a reação global de CH3SH+O e
CH3SH+S.
A Figura 3 mostra as constantes de velocidade totais das reações para várias temperaturas.
Para a reação de metanotiol com oxigênio, os parâmetros cinéticos obtidos são da mesma
ordem de grandeza dos dados experimentais existentes [14-16], sendo estes entre os valores
calculados pelos diferentes métodos. Isso indica que as constantes de velocidade obtidas para
a reação de metanotiol com enxofre são confiáveis, pois o estudo recente do sistema
isovalente (CH3SH+O [17]) utilizando a mesma metodologia apresentou concordância com os
dados experimentais.
CH3SH+O
-22
CH3SH+S
-24
-1
-1
lnk (cm molecula s )
-24
-28
-26
CCSD(T)/CBS//BB1K
-28
TST
-30
BB1K/aug-cc-pV(T+d)Z
-32
3
TST/W
TST/ZCT
TST
TST/W
-32
TST/ZCT
0
1
-36
Exp. [14]
Exp. [15]
Exp. [16]
-40
2
3
-1
(1000T ) K
4
5
CCSD(T)/CBS//BB1K
TST
TST/W
TST/ZCT
BB1K/aug-cc-pV(T+d)Z
TST
TST/W
TST/ZCT
0
1
2
3
-1
(1000T ) K
4
5
Figura 3. Curva de Arrhenius para as reações de metanotiol com oxigênio (esquerda) e
enxofre (direita).
77
Na reação CH3SH+S, a constante de reação obtida com a barreira BB1K é maior por um fator
de 4,5 quando comparada com a obtida com o cálculo CCSD(T)/CBS//BB1K. Já para a
reação CH3SH+O ocorre o contrário, a constante obtida com CCSD(T)/CBS//BB1K é maior
que a obtida com BB1K por um fator de 9,3. Isso está ligado ao valor das barreiras que são
bem menores na reação de metanotiol com o oxigênio. O tunelamento é importante a baixas
temperaturas aumentando a constante de reação por um fator de 1,82 para a reação CH3SH+S
e de 1,1 para CH3SH+O. O valor da constante de velocidade total TST/ZCT a 300 K Para a
reação de metanotiol com o átomo de enxofre (CH3SH+S), utilizando o método
CCSD(T)/CBS//BB1K (k = 3,30 x 10-15 cm3 mol-1 s-1) é da ordem de 700 vezes menor que a
reação isovalente CH3SH+O (k = 2,28 x 10-12 cm3 mol-1 s-1).
Conclusões
Até onde sabemos, este é o primeiro estudo em que são obtidos dados rigorosos das
propriedades termoquímicas e cinéticas de reações de abstração e de inserção envolvendo os
radicais oxigênio e enxofre com o metanotiol.
Resultados obtidos segundo a aproximação CCSD(T) mostram que a reação de metanotiol
com o oxigênio é exotérmica enquanto que a reação de metanotiol com o átomo de enxofre é
essencialmente endotérmica tendo apenas um caminho reacional com a entalpia negativa.
Comparando os resultados obtidos com DFT e CCSD(T) notamos a grande importância da
correlação eletrônica. Em especial, com concomitante redução da barreira DFT para CCSD(T)
a constate aumenta por um fator de 11 para a reação CH3SH+O e diminui para CH3SH+S por
um fator de 4, pois na reação com o oxigênio as barreiras diminuem quando se inclui mais
correlação eletrônica, enquanto que na reação com o enxofre estas aumentam.
O caminho reacional R1, correspondente à abstração do hidrogênio no grupo tiol foi o mais
importante para as duas reações. Os resultados rigorosos da termoquímica e cinética sem
dúvida permitirão complementar dados experimentais de difícil obtenção.
Agradecimentos
À FAPESP pela bolsa de doutorado concedida no presente projeto de pesquisa (processo nº
2012/11857-7) e ao CNPq (processos nº 473587/2011-4 e nº 305362/2010-0) pelo suporte
contínuo ao grupo de pesquisa.
Referências
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reaction of CH3CH2SH with atomic H: Mechanism and kinetics properties. Journal of
Chemical Physics, v. 324, p. 298-306, 2006.
[2] GARZÓN, A.; NOTARIO, A.; ALBADALEJO, J.; PEÑA-RUIZ, T.; FERNÁNDEZ
GÓMEZ, M. An experimental and theoretical study of the reaction of ethanethiol with Cl
atoms. Chemistry Physics Letters, v. 438, p. 184-189, 2007.
[3] TYNDALL, G. S.; RAVISHANKARA, A. R. Atmospheric oxidation of reduced sulfur
species. International Journal of Chemical Kinetics, v. 23, n. 6, p. 483-527, 1991.
[4] GRAEDEL, T. E. Chemical Compounds in the Atmosphere. New York: Academic
Press, 1978. 440p.
[5] EVANS, M. G.; POLANYI, M. Some applications of the transition state method to the
calculation of reaction velocities, especially in solution. Transactions of the Faraday
Society, v. 31, p. 875-894, 1935.
[6] TRUHLAR, D. G. Direct Dynamics Method for the Calculation of Reaction Rates.
Heidrich D. The reaction path in chemistry: current approaches and perspectives. (ed).
Dordrecht: Kluwer, 1995. 229 p.
[7] ZHAO, Y.; LYNCH, B.; TRUHLAR, D. G. Development and assessment of a new hybrid
78
density functional model for thermochemical kinetics. Journal of Physical Chemistry A, v.
108, n. 14, p. 2715-2719, 2004.
[8] DUNNING JR, T. H. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I.
The atoms boron through neon and hydrogen. Journal of Chemical Physics, v. 90, n. 2, p.
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[9] DUNNING JR, T. H.; PETERSON, K. A.; WILSON, A. K. Gaussian basis sets for use in
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157, p. 479-483, 1989.
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H2O. Chemical Physics Letters, v. 286, p. 243-252, 1998.
[12] TRUHLAR, D. G.; ISAACSON, A. D.; SKODGE, R. T.; GARRETT, B. C.
Incorporation of quantum effects in generalized-transition-state theory. Journal of Physical
Chemistry, v. 86, p. 2252–2261, 1982.
[13] WIGNER, E. Calculation of the rate of elementary association reactions. Journal of
Chemical Physics, v. 5, p.720–725, 1937.
[14] NIP, W. S.; SINGLETON, D. L.; CVETANOVIC, R. J. Gas-phase reactions of O (3P)
atoms with methanethiol, ethanethiol, methyl sulfide, and dimethyl disulfide. 1. Rate
constants and Arrhenius parameters. Journal of the American Chemical Society, v. 103, p.
3526-3530, 1981.
[15] SLAGLE, I. R.; BALOCCHI, F.; GUTMAN, D. Study of the reactions of oxygen atoms
with hydrogen sulfide, methanethiol, ethanethiol, and methyl sulfide. Journal of Physical
Chemistry, v. 82, p. 1333-1336, 1978.
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mercaptans with O (3P) under consideration of the influence of molecular oxygen. Ber.
Bunsenges. Physical Chemistry, v. 82, p. 1233-1230, 1978.
[17] CARDOSO, D. V. V.; FERRÃO, L. F. A.; SPADA, R. F. K.; ROBERTO-NETO, O.;
MACHADO, F. B. C. O (3P) + CH3SH Reactions: Structures, Energetics, and Kinetics.
International Journal of Quantum Chemistry, v. 112, p. 3269-3275, 2012.
Art.14
79
SISTEMA EMBARCADO PARA CONTROLE DE GIMBAL DE
ESTABILIZAÇÃO DE CAMERA EM UM VANT 1
J. C. M. Minatti1, 2*; A. Assis3; E. H. Shiguemori1*, V. Leite1
Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos - SP, Brasil
2
Escola Técnica Professor Everardo Passos, São José dos Campos - SP, Brasil
3
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos - SP, Brasil
*[email protected], [email protected]
1
Palavras-chave: gimbal, controle, eletrônica embarcada, giroscópio.
Introdução
Gimbal é um sistema de mancalização em que o dispositivo fica independente dos
movimentos de rotação do apoio. Gimbal é usado principalmente em instrumentos de
navegação (indicador de atitude, bússola) e em sistemas de navegação inercial, onde é usado
um giroscópio para referenciar o azimute, para guiamento de aeronaves, foguetes, mísseis e
veículos espaciais e em estabilização de câmeras [1]. No último caso, mais especificamente
em câmeras embarcadas em aeronaves, que é o objetivo deste trabalho, para se obter a
compensação da câmera independente das atitudes de uma aeronave para que se possa
focalizar um alvo em direções obliquas.
Figura 1. Giroscópio Gimbal [2]
Uma aeronave é orientada pelos movimentos de arfagem, rolagem e guinada (em inglês,
pitch, roll, yaw) em relação ao seu centro de gravidade conforme é ilustrado na Figura 2. Para
estabilização de uma câmera embarcada em uma aeronave, é preciso ter mecanismos de
controle que identifique essa variação de arfagem, rolagem ou guinada e realize uma ação de
controle no gimbal. A principal forma de reconhecer uma variação de ângulo é com uso de
1
Projeto: PITER - Processamento de Imagens em Tempo Real.
80
um sensor de giro [1], que converte a variação de rotação em um sinal elétrico proporcional.
O controle pode ser analógico ou digital. E, para fazer a correção do ângulo no gimbal, podem
ser utilizados servos motores.
Figura 2. Rotação em uma aeronave [3].
É importante que o sistema de controle não seja lento e não tenha sobre-sinal. Por isso deve
ser feita uma correta modelagem da planta para que seja implementada a ação de controle
correta.
Neste trabalho, o objetivo é testar uma plataforma de gimbal estabilizada num VANT
(Veículo Aéreo Não Tripulado) de asa rotativa, multi-motores e asa fixa e, por isto, o
controlador deve ter a capacidade de se adaptar em diferentes situações [1]. Um tipo de
controlador que atende a isso é o PID [5]
O objetivo desse projeto é testar uma plataforma de gimbal estabilizada num VANT (veículo
aéreo não tripulado).
Metodologia
Para um bom funcionamento de um sistema gimbal embarcado em um VANT, deve-se
considerar os seguintes fatores: tamanho, aerodinâmica, peso, tipo de motorização e grau de
liberdade para cada eixo. No caso deste projeto, o tamanho e a estrutura devem ser o
suficiente para acomodar uma câmera. Como a velocidade proposta para o VANT não é alta,
para este projeto a aerodinâmica não seria um fator relevante. O peso deve ser o menor
possível de modo que possa ser embarcado em um VANT de pequeno porte e o material deve
ter resistência suficiente para suportar a câmera, movimentos e possíveis impactos. Para o
projeto foi escolhida uma plataforma empregada em trabalhos anteriores, ilustrada na Figura
3. A motorização é feita por servos-motores de modelismo. Quanto à liberdade dos eixos, os
ângulos de arfagem e rolagem tem liberdade de 90 graus e o ângulo de guinada 360 graus.
Especificamente para o ângulo de guinada deve ser considerado um limite de rotação por
causa da fiação, para que não haja torção excessiva nos cabos. Caso o movimento alcance
esse limite, o software comanda um giro de 360 graus no sentido contrário ao limite excedido.
81
Figura 3. Base estabilizada de dois eixos usada para o desenvolvimento do projeto [6]
O controle é formado por um microcontrolador, um sensor de giro de três eixos e os servosmotores. Para fazer um sistema de malha fechada, o sensor de giro é instalado na base do
gimbal, com isso as variáveis de processo (os ângulos arfagem, rolagem e guinada) são
monitoradas diretamente.
Para realizar o controle foi escolhido o microcontrolador PIC16F877A por ter um bom
desempenho e quantidade suficiente de entradas e saídas. O sensor de giro com a melhor
resposta para essa aplicação é o ADIS16060BCCZ, esse CI (Circuito Integrado) tem o
tamanho compacto, a alimentação é 5Vdc, a mesma do microcontrolador e dos servosmotores, tem resolução de 14 bits e os dados são enviados de forma serial, que é mais preciso
do que analógico por sofrer menos interferência [7]. A resolução do sensor, de 80 graus/s, é
ideal para essa aplicação pois permite corrigir o erro de variações lentas de rotação e
reconhece os movimentos do VANT.
Figura 4. Sensor de giro ADIS16060BCCZ. [8]
Para realizar os ensaios preliminares da plataforma foi utilizado o sistema inercial solidário
RAD da empresa Navcon e o algoritmo de controle executado em um PC. Para avaliação do
erro de estabilização foi utilizado uma estratégia de uso de um laser fixado no eixo interior da
plataforma, possibilitando fazer a estimativa de posicionamento dos ângulos de rolagem e
arfagem da plataforma com o sistema de navegação [6].
82
Figura 5. Ensaio da plataforma [6]
O primeiro teste foi para analisar o eixo referente ao ângulo de rolagem (rolamento), aonde
foi aplicada uma rotação de aproximadamente 43º em torno do eixo x do sistema de
navegação durante um período de 20 segundos º. O erro do maior ângulo observado no
gráfico foi de aproximadamente 5º.
Figura 6. Comparação do resultado estimado do ângulo Rolagem [6]
O segundo teste foi para analisar o eixo referente ao ângulo de arfagem. Foi aplicada uma
rotação de aproximadamente 44º em torno do eixo y do sistema de navegação durante um
período de 20 segundos. O erro obtido nesse ângulo foi de aproximadamente 10º.
Figura 7. Comparação do resultado estimado do ângulo pitch [6]
83
Conclusões
Num sistema de navegação autônoma por imagem, é indispensável que a câmera esteja
estabilizada. Para tornar isso viável num VANT o sistema deve estar embarcado levando em
consideração, principalmente, o tamanho, o peso e a energia gasta pelo sistema.
Agradecimentos
Agradeço a subdivisão de Geointeligência (EGI) pela oportunidade de fazer parte do projeto.
Agradeço também a ajudada da subdivisão de Fotônica (EFO), na especificação e
desenvolvimento eletrônico. E agradeço à subdivisão de Suporte tecnológico (EST), pelo
apoio e disponibilizar a infra-estrutura, que viabilizam o projeto.
Referências
[1] SANTANA, D. D. S. Navegação terrestre usando unidade de medição inercial de
baixo desempenho efusão sensorial com filtro de Kalman adaptativo suavizado. São
Paulo, 2011. 209p. Monografia (Doutorado em Engenharia) – Escola Politécnica,
Universidade de São Paulo.
[2] Fonte: http://itishistory.ru/1k/2_korabli_37.php Acesso em: 01 jun. 2013.
[3] Fonte: http://www.grc.nasa.gov/WWW/k-12/airplane/rotations.html. Acesso em: 01 jun.
2013.
[4] OGATA, K. Engenharia de Controle Moderno. 3.ed. Rio de Janeiro: LTC – Livros
Técnicos e Científicos, 2000. 801p.
[5] BEZERRA, D. C. Controlador de temperatura utilizando um pi digital aplicado a um
nobreak de 1 KVA. Fortaleza, 2010. 66p. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) –
Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará.
[6] AMARAL, A. A. M. do. Plataforma Estabilizada para Veículos Aéreos Não
Tripulados. Jacareí, 2012. 87p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia
da Computação) – Faculdade de Tecnologia São Francisco.
[7] SEDRA, A. S. SMITH, K. C. Microeletrônica. 4.ed. São Paulo: Pearson Makron Books,
2000.
[8] Datasheet ADIS16060BCCZ.
Art.15
84
ANÁLISE DE TÉCNICAS DE RECONHECIMENTO DE PADRÕES
BASEADAS EM TEXTURA APLICADAS EM IMAGENS ÁEREAS
J. S. Santos1,2,*; S. O. Souza1,2,; M. J. P. Lamosa2; E. H. Shiguemori2
1
Universidade Paulista – Engenharia da Computação, Jacareí – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos – SP
*
[email protected]
Palavras-chave: segmentação, unidade de textura, matriz de co-ocorrência, matriz da
diferença do tons de cinza da vizinhança.
Introdução
A evolução do poder computacional gerou possibilidade de realizar transformações de dados
obtidos por um sensor óptico embarcado (videografias e/ou imagens) em uma nova
representação de informações [1]. A transformação de imagens em um outro tipo de
informação é fundamental dentro de um processo de navegação autônoma, onde um veículo
navega sem intervenção humana usando essas imagens, captando informações ao seu redor
através de sensores. Um exemplo seria em uma trajetória realizada por um veículo aéreo não
tripulado (VANT), sendo corrigida ou confirmada, de forma a realizar sua localização através
do reconhecimento de um marco característico do local como, por exemplo, um campo de
futebol [2]. A detecção de objetos em movimento como carros também pode ser usada,
provendo a informação de que está sobre uma rodovia [3], ou até mesmo informação sobre o
tipo de área que está sendo sobrevoada como, por exemplo, rural ou urbana [4], de forma a
segmentar a imagem.
A segmentação da imagem consiste em subdividir a imagem em regiões ou em objetos que a
compõem [5]. Neste artigo, o foco está na análise de técnicas que realizam subdivisão de
regiões dentro de uma imagem. Esta análise tem o propósito de colocar em teste três técnicas
baseadas em textura para realizar um destaque na região desejada na imagem aérea. O uso de
texturas consiste em uma abordagem natural quando recorremos à interpretação humana de
informações visuais humana, pois alguns atributos apresentados pelas técnicas utilizadas são
interpretáveis de forma mais amigável pelo ser humano [6]. A análise comparativa entre as
técnicas leva em conta alguns critérios para uma definição das vantagens e desvantagens de
cada uma das técnicas utilizadas. Os critérios são: a capacidade qualitativa de discriminação
das técnicas e o tempo computacional para realizar a segmentação, pois o item velocidade de
processamento é uma exigência importante para uma aplicação com um VANT. As técnicas
envolvidas neste trabalho são: Matriz de co-ocorrência, Matriz de diferença dos tons de cinza
da vizinhança e Unidade de Textura. Além da extração de informações da imagem, com uso
de técnicas com base em textura, outro ponto de destaque quando se deseja segmentar a
imagem é realizar a seleção dos atributos [7], que são as informações extraídas da imagem, de
modo a selecionar os atributos mais relevantes para realizar a segmentação. A seleção de
atributos é um fator importante em relação ao desempenho do algoritmo, pois uma grande
quantidade de atributos extraídos não garante uma grande capacidade de discriminação das
regiões [7]. A vantagem de se fazer uma seleção de atributos é agregar somente informações
relevantes para realizar a classificação, de forma a otimizar o processo [7]. Com a extração de
características realizada pelas técnicas baseadas em textura e realizado um processo de
seleção de atributos para realizar a segmentação da região desejada, é necessário um método
de classificação. No presente trabalho foram abordados dois classificadores, ambos baseados
em inferência estatística [8]: Janela de Parzen e Regra do Paralelogramo. Esses
85
classificadores, a partir de dados rotulados e uma probabilidade de densidade desconhecida,
tem capacidade de construir uma classe para realizar a segmentação [8].
Metodologia
O objetivo da análise é comparar três técnicas de extração de características baseadas em
textura, de acordo com o poder discriminatório avaliado de forma qualitativa e sua velocidade
de processamento. Para realizar esta análise, a primeira técnica utilizada foi a Matriz de coocorrêcia (do inglês, Co-ocorrence Matriz - COM), que é uma abordagem estatística. Essa
matriz é montada a partir de um relacionamento espacial de frequência entre o pixel e seus
vizinhos, pois esta frequência permite descrever sua ocorrência e suas transições [6, 9]. Com o
objetivo de descrever propriedades da textura foram propostas quatorze medidas estatísticas a
serem calculadas pela COM [9, 10]. De acordo com [11], apenas seis destas medidas
apresentam maior relevância: segundo momento angular (também conhecido como energia),
que expressa a uniformidade da textura; entropia, que expressa o grau de confusão contido na
textura; contraste, que caracteriza a variação entre as cores; heterogeneidade, que consiste da
variância entre o tom médio do nível de cinza; correlação, que mede a dependência linear
entre os tons de cinza; e, homogeneidade, que representa o nível de variação entre os tons de
cinza (tem relação inversa ao contraste).
A segunda técnica utilizada, ainda em uma abordagem estatística, foi a Matriz da diferença
dos Tons de Cinza da Vizinhança (do inglês, Neighborhood Gray-Tone Difference Matrix NGTDM) . Essa abordagem foi escolhida por apresentar características relacionadas a
propriedades presentes nas texturas utilizadas pelo sistema visual humano. Essas
características são: aspereza, que tem o objetivo de medir a aspereza da textura; contraste, que
caracteriza o nível da sua variação de cores; fineza; complexidade (a textura é caracterizada
complexa quando se tem um grande número de primitivas com intensidade média distintas); e
por último, força, que é considerada alta por ter suas primitivas bem definidas e visíveis [6,
11].
A última técnica abordada foi a Unidade de Textura (do inglês, Texture Unit - TU) com uma
abordagem geométrica que é definida como sendo composta por primitivas. Nesta técnica são
utilizadas duas classes de métodos para descrever a textura. A primeira usa medidas extraídas
das primitivas e a segunda são regras para descrever a disposição espacial e o relacionamento
existente entre as primitivas. A TU é baseada na ideia de que um certo número de pixels na
imagem pode ser considerada como um conjunto de pequenas unidades essenciais. Essas
unidades caracterizam a informação local de um dado pixel em relação a sua vizinhança e as
medidas extraídas, a partir de todas as unidades contidas na imagem, revelam o aspecto global
da textura. O conceito de Unidade de Textura apresenta cinco medidas para características
texturais, sendo que as três utilizadas nesta análise foram: simetria preto-branco (do inglês,
Black-White Symmetry - BSW), que mede a simetria entre as metades da direita e esquerda na
imagem; simetria geométrica (do inglês, Geometric Symmetry - GS), que mede a regularidade
da forma da textura; e, grau de direção, que ilustra o grau de linearidade da textura (do inglês,
Degree Direction - DD) [6,12]. Contudo, mesmo com a extração desses atributos é necessário
avaliar a relevância de cada um e essa avaliação é feita através da seleção de características.
A seleção de características mapeia o problema de procura pelo conjunto de atributos mais
compacto e informativo, a fim de melhorar a eficiência do processamento. Com a seleção de
atributos pode-se eliminar atributos que não contribuem com informações novas ou relevantes
para a classificação [6, 7]. A técnica de correlação quantifica o quanto um atributo está
correlacionado ou é dependente dos demais e essa informação é usada para montar um
possível melhor conjunto de atributos [7]. A classificação para verificar se o atributo pode
prover um melhor volume de informações com a correlação, foi feito da seguinte forma: caso
o atributo avaliado apresentasse um índice de correlação fraco em relação aos demais
86
atributos, ou seja, com um intervalo de correlação entre -0,25 até +0,25, essa informação
determinaria que, ao se fazer uma regressão linear em um atributo, não seria possível
determinar o valor do atributo em comparação de forma precisa. Neste caso, o atributo
agregaria novas informações ao conjunto e o classificador usado teria mais facilidade para
fazer a distinção e, assim, maior precisão para reconhecer a região.
Dentre os testes realizados para análise dos resultados foi usada uma imagem de dimensões
448x336. Essa imagem apresenta um grande contraste na região superior em relação ao
restante da imagem, facilitando a interpretação do resultado. O objetivo desse experimento é
destacar a região tracejada na Figura 1.
Fonte: Google imagens.
Figura 1. Imagem utilizada na análise.
Após a extração dos atributos da região tracejada na Figura 1, foi realizada a análise de
seleção de atributos de cada técnica usando a correlação (r) representada na equação 1. Na
Tabela 1 são mostrados os resultados da correlação da técnica COM, que foi a única técnica
dentre as três avaliadas onde três atributos apresentaram baixa correlação entre eles
simultaneamente: segundo momento angular (SMA), contraste e entropia. Entretanto, com
essa característica, é possível ter um cenário tridimensional em um espaço de atributos,
podendo aumentar a performance da classificação.
(1)
Tabela 1. Correlação COM
87
Na Tabela 2 são apresentados os resultados da Correlação da NGTDM. Nota-se que a
aspereza tem baixa correlação com todos os atributos, ou seja, de acordo com a correlação
este atributo poderia ser combinado com todos os demais em uma avaliação, sem caracterizar
informações redundantes de acordo com a correlação.
Tabela 2. Correlação NGTDM
Na Tabela 3 mostra-se a correlação da TU, onde observa-se uma forte correlação entre os três
atributos analisados. Este resultado está bem atípico em relação às demais técnicas estudadas.
Especificamente em relação ao atributo BWS, onde é verificada a simetria da textura, foram
geradas oito variações desse atributo pois esta simetria pode mudar conforme o ângulo usado
(pode variar de 45 em 45 graus).
Tabela 3. Correlação TU
Quanto à análise das técnicas COM, NGTDM, TU, o primeiro critério estudado foi a da
capacidade discriminatória em relação à região apresentada para destaque. Os resultados
obtidos com a classificação da imagem com o objetivo de se destacar o céu são até o
momento qualitativos, compreendendo uma medida somente visual. Nos resultados, os
campos na imagem em cor preta compreende o que o classificador denominou como sendo
parte do “céu”(região destacada na Figura 1). Apesar de ter feito a seleção de características
com a correlação, esses resultados são esboçados levando em conta todos os atributos das três
técnicas abordadas COM, NGTDM, TU.
Os resultados das Figuras 2 e 3 representam a extração de características com a matriz de coocorrência. Na Figura 2 a classificação foi feita com a regra do paralelogramo e, na Figura 3,
com a Janela de Parzen.
88
Figura 2. Regra do Paralelogramo
Figura 3. Janela de Parzen
Os resultados apresentados nas Figuras 4 e 5 são referentes à extração de características com a
técnica nível de diferença de tons de cinza da vizinhança. Na Figura 4 é usado como
classificador a regra do paralelogramo e, na Figura 5, a Janela de Parzen.
Figura 4. NGTDM Regra do Paralelogramo
Figura 5. NGTDM Janela de Parzen
Nas Figuras 6 e 7, os atributos foram extraídos usando a Unidade de Textura, abordagem
denominada geométrica, diferente das abordagens COM e NGTDM que são estatísticas.
Foram usados os três atributos incluindo todas as variações do atributo BSW, que consiste na
simetria entre as metades da imagem em ângulos de 45 em 45 graus. Na Figura 6, foi
classificada com a regra do paralelogramo e, na Figura 7, com a Janela de Parzen.
Figura 6. TU Regra do Paralelogramo
Figura 7. TU Janela de Parzen
89
O resultado foi avaliado de forma qualitativa, levando em consideração os falsos negativos,
caracterizando uma informação que pertence à classe e é classificada com não pertencente à
classe em evidência. E os falsos positivos, caracterizando como sendo pertencente à classe de
forma errônea. Dentro dessas premissas, a técnica que apresentou melhor resultado na
classificação foi a TU, onde não houve falsos positivos e poucos falsos negativos.
O segundo
critério, para análise das técnicas COM, NGTDM, TU, é o desempenho do
algoritmo em relação ao tempo de processamento. O tempo de processamento foi medido
calculando a extração de todos os atributos que compõem as três técnicas. Dessa forma, na
COM, o tempo de execução do algoritmo foi obtido utilizando os seis atributos, no NGTDM
foi medido levando em conta os cinco atributos e, por último, a TU com três atributos mais
sete variações da BWS, totalizando dez atributos abordados na análise. Na Tabela 4 estão os
resultados do tempo de execução para cada técnica, levando em conta uma média dos testes.
Tabela 4. Resultado do Tempo de Processamento
Nos resultados na Tabela 4 em relação ao tempo de processamento, a técnica NGTDM obteve
o melhor desempenho e a TU mostra um grande potencial de melhora, pois nesse experimento
foi considerado a extração de dez atributos, possibilitando uma redução no tempo ao reduzir a
quantidade de atributos.
Conclusão
O estudo e avaliação demonstraram grande potencial de aplicação das técnicas para realizar a
segmentação em imagens, e com possibilidade de ser aplicado em uma sequência de imagens,
de forma a auxiliar um veículo no processo de navegação autônoma. Dentre as técnicas
analisadas, os resultados em relação à classificação mostram que a técnica TU obteve maior
destaque e de acordo com a seleção de atributos realizado através da correlação, pode-se
verificar que, com a redução da quantidade de atributos, há uma possibilidade de reduzir seu
tempo de processamento. Como trabalho futuro, será feita uma avaliação quantitativa sobre a
classificação, levando em conta somente os atributos que proporcionam uma melhor definição
da classe e a utilização de um classificador com um nível de separação não linear entre as
classes, com o objetivo de melhorar o nível de classificação.
Agradecimentos: Ao CNPq pelo apoio prestado por meio da bolsa de iniciação cientifica ao
PIBIC-IEAv.
Referências
[1] BRADISK, G.;KAEBLER. A.; Learning OpenCV Computer Vision With the OpenCV
Library, 1° Edition, 2008.
[2] CRUZ, J. E.; SHIGUEMORI, E. H.; Detecção Automática de Marcos Conhecidos em
Imagens Áereas e Orbitais utilizando SVM e HOG.
[3] REBOUÇAS, R, A.; Shiguemori, E. H.; Acompanhamento de Objetos Móveis em
imagens aéreas
[4] HABERMANN, M,; Segmentação de Áreas urbanas em imagens aéreas para uso em
navegação Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, SP.
90
[5] GONZALES, R.C.; WOODS, R.E., Processamento Digital de Imagens 3° Edição, 2008.
[6]PEDRINI, H. e SHWARTZ, Análise de Imagens Digitais, 1° Edição, 2008.
[7] GUYON,ISABELLE., NIKRAVESH, STEVE., ZADEH, LOTFI., Feature Extration , 1°
Edition, 2006.
[8] THEODORIDIS, SERGIOS Pattern Recognition, 4° Edition, 2009.
[9] HARALICK, R. M., (1979). Statistical an Strutural Approaches to Texture, Proceding of
the IEEE.
[10] HARALICK, R. M., SHANMUGAN, K. e DINTEIN, I (1973). Textural Features for
Image Classification, IEEE Transactions on Systens, Man end Cybernetics 3 (6): 610-621
[11] BARALDI, A. e PARMIGGIANI, F.(1995) An Investigation of the Textural
Characteristics Associated with Gray Level Cooccurrence Matrix Statistical Parameters
[12] HE, D.-C e WANG , L. (1990). Texture Unite, Texture Spectrum, and Texture Analysis,
IEEE Transactions on Geocience and Remote Sensing 28(4): 509-512.
Art.16
91
IMPLANTAÇÃO DA DOSIMETRIA DE ALTAS DOSES GAMA COM O
DOSÍMETRO TERMOLUMINESCENTE TLD-800
J. F. Cipeli1,2; H. H. C. Pereira2, O. L. Gonçalez 2*
Universidade do Vale do Paraíba – Faculdade de Engenharia, Arquitetura e Urbanismo,
2
*[email protected]; [email protected]
1
Palavras-chave: Dosimetria, dosímetro termoluminescente, radiação gama, altas doses.
Introdução
A dosimetria termoluminescente nos permite realizar medidas de dose de radiação gama
ponto a ponto de um objeto irradiado, sendo, então, possível mapear o perfil de dose em um
experimento de irradiação de uma estrutura complexa, como, por exemplo, um circuito
eletrônico ou um equipamento montado. O dosímetro a ser utilizado pelo Laboratório de
Dosimetria Termoluminescente do IEAv (LDTL) na dosimetria das irradiações realizadas no
feixe gama de 60Co (~0,5 kCi) do Laboratório de Radiação Ionizante do IEAv (LRI) [1,2] é o
TLD-800 (lithium borate manganese Li2B4O7: Mn), da Thermo Scientific Inc., que responde
linearmente em um longo intervalo de dose, desde 0,5 mGy a 100 kGy.
Este dosímetro é um material termoluminescente que, quando exposto à radiação ionizante,
tem uma parte de seus elétrons e lacunas liberados pelo efeito da ionização de seus átomos e
que, por sua vez, são aprisionados em armadilhas de sua rede cristalina. Quando submetido a
um aquecimento controlado libera esses elétrons, emitindo o excesso de energia na forma de
fótons de luz. A luz emitida é proporcional à energia depositada pela radiação no dosímetro
[3,4].
O objetivo do projeto em andamento é o desenvolvimento e a implantação no LDTL da
dosimetria de altas doses de radiação gama do 60Co, produzidas pelo irradiador de teleterapia
Eldorado 78 instalado no LRI, em experimentos e testes dos efeitos da radiação cósmica em
componentes eletrônicos e fotônicos de uso aeroespacial. Neste trabalho são relatados os
primeiros procedimentos e respectivos resultados parciais da implantação deste processo de
dosimetria. Este estudo refere-se a um lote de 50 dosímetros TLD-800.
Metodologia
Os procedimentos necessários para a implantação da dosimetria consistem em:
 Estabelecer o tratamento térmico do dosímetro, ou seja, o tempo e a temperatura de
aquecimento no forno que o dosímetro deve ser submetido, para remover os traços de
termoluminescência deixados na irradiação anterior, para que possa ser novamente
utilizado;
 Estabelecer parâmetros de leitura da termoluminescência (TL) dos dosímetros
irradiados, como: a tensão da fotomultiplicadora da leitora, a taxa de aquecimento do
dosímetro, o tempo de ciclo de leitura e a região de interesse (ROI) ou outro parâmetro
da curva de luz (emissão TL em função da temperatura) correlacionado com a dose;
 Determinar a dispersão da resposta TL para o lote de dosímetros, visando a seleção
dos dosímetros cuja resposta esteja dentro do intervalo de confiança de 99% (3
desvios-padrão) da resposta TL do lote;
92
 Realizar a calibração da resposta TL dos dosímetros em função da dose absorvida em
um campo de radiação conhecido no intervalo de dose de interesse e verificar o
intervalo de dose onde a resposta do dosímetro é linear com respeito à dose.
 Determinar o fator de desvanecimento (fading factor) e os indicadores de qualidade e
controle do processo.
O tratamento térmico dos dosímetros foi estabelecido de acordo com o especificado pelo
fabricante. No caso do TLD-800, o dosímetro deve ser mantido no forno por 15 minutos à
temperatura de 300 °C [5]. Um requisito fundamental para a reprodutibilidade da dosimetria é
a estabilidade e a calibração da temperatura do interior do forno. A correção da temperatura
indicada no painel de leitura do forno relativamente à temperatura real no seu interior (centro)
foi determinada com o uso de um termopar previamente calibrado. Na Tabela 1 e na Figura 1,
correspondente, são apresentados os resultados desta calibração.
Tabela 1. Calibração do forno mufla EDG 3000 3P.
Visor do forno (C)
280
285
290
295
300
305
310
TERMOPAR (°C)
289,91
294,80
299,69
304,58
309,48
314,37
320,24
Temperatura real no centro (
o
C)
325
320
315
Calibração (ajuste)
y = 0,9995x + 9,865
R2 = 0,9993
310
305
300
295
290
285
275
280
285
290
295
300
305
310
315
o
Temperatura no visor do forno ( C)
Figura 1. Relação entre a leitura da temperatura do forno e a temperatura real no seu centro.
A curva de luz da leitura da termoluminescência de um dosímetro TL é característica para
aquele tipo de dosímetro. A curva de luz do TLD-800, conforme ilustrado na Figura 2,
apresenta um único pico. Entretanto, a posição (temperatura) do centróide do pico, a largura à
meia altura (FWHM), a amplitude e a área total do pico dependem de parâmetros fixados no
equipamento de leitura, tais como, tensão da fotomultiplicadora, temperatura inicial de leitura
da emissão TL e taxa de aquecimento aplicados para promover a termoluminescência.
O primeiro parâmetro da leitora que deve ser ajustado é a tensão da fotomultiplicadora, o qual
vai determinar a quantidade de cargas liberadas na conversão da luz da termoluminescência
93
em sinal elétrico mensurável. Este sinal elétrico medido em pico-Coulomb para o intervalo de
dose de interesse deve cair dentro da faixa de medição do equipamento, cujo valor de
saturação é de 4,0105 pC. Na Figura 3 é apresentada a amplitude do sinal TL (pC) em função
da tensão aplicada na fotomultiplicadora para uma dose absorvida no dosímetro de 36 krad. A
tensão de trabalho foi escolhida de modo que nesta dose a amplitude do pico da curva de luz
para esta dose de 36 krad se situasse a aproximadamente 1/10 do fundo de escala. Isto nos
permite ler dosímetros irradiados até 360 krad. Segundo este critério, o valor selecionado para
a tensão da fotomultiplicadora foi de 600 V.
Figura 2. Curva de luz típico do dosímetro TLD-800.
Figura 3. Variação da amplitude do pico com a tensão da fotomultiplicadora.
Uma vez fixada a tensão da fotomultiplicadora, a escolha da taxa de aquecimento baseou-se
em testes com as seguintes taxas de aquecimento: 5, 6, 7, 8, 10, 12, 14, 16, 18 e 20 °C/s.
Verificou-se, então, a dependência de alguns parâmetros da curva de luz (posição do pico,
altura do pico e área do pico). Foi escolhida a taxa de aquecimento na qual a amplitude do
pico tivesse a menor variação com respeito a uma eventual variação da taxa de aquecimento,
ou seja, a parte mais plana da curva, que ocorre em entorno de 10 °C/s, a fim de garantir a
melhor estabilidade do processo de determinação da resposta TL. Este resultado é apresentado
na Figura 4.
Para o estudo preliminar da dispersão da resposta TL do lote foram selecionados 29
dosímetros irradiados com a dose de 36 krad e feita a leitura com os parâmetros selecionados
de acordo com os itens precedentes. Os parâmetros da curva de luz de cada dosímetro
medidos foram: posição do centróide do pico, amplitude do pico, largura à meia altura do pico
94
(FWHM) e área total sob o pico (integral da curva de luz). A variabilidade destes parâmetros
é mostrada nas Figuras 5, 6, 7 e 8. Estas figuram indicam que a variabilidade destes
parâmetros é de natureza aleatória, devendo obedecer a uma distribuição gaussiana. Os
parâmetros destas distribuições são apresentados na tabela 2.
Figura 4. Variação da amplitude do pico TL com a taxa de aquecimento (°C/s) do dosímetro.
Figura 5. Variação entre as posições de cada um dos 29 dosímetro.
Figura 6. Variação da contagem do pico (pC) para cada dosímetro .
Figura 7. Variação da largura à meia altura para cada dosímetro.
95
Figura 8. Variação da área do pico (pC) para cada dosímetro.
Tabela 2. Resultados numéricos para a dispersão do lote.
PARÂMETROS
MÉDIA E DESVIO PADRÃO
DA MÉDIA
Posição do centróide do pico (C)
Amplitude do pico (pC)
FWHM (C)
Área do pico (pC)
235,48 ± 0,65
66086,21 ± 857,69
78,86 ± 0,14
5,507106 ± 7,25104
DESVIO PADRÃO
DA
DISTRIBUIÇÃO
1,49%
6,99%
0,97%
7,09%
Outro dado que deverá ser levado em consideração na avaliação de dispersão do lote é a
massa de cada dosímetro. Admitindo-se uma distribuição gaussiana (Figura 9) para as massas
dos dosímetros encontrou-se um valor médio de 0,0199 g e desvio padrão de 0,0003 g para o
lote, o que define um intervalo de confiança de 99% (3 desvios-padrão) de 0,0190 a 0,0208 g
para a exclusão de dosímetros do lote. Observa-se que apenas dois dosímetros estão fora do
intervalo de aceitabilidade. A dispersão das massas deverá ser confrontada com a dispersão de
resposta TL do lote e deverá ser feita a correspondente análise de correlação entre a massa de
cada dosímetro de sua resposta TL.
18
16
14
Frequência
12
10
8
6
4
2
0
0,0191 0,0193 0,0195 0,0197 0,0199 0,0201 0,0203 0,0205 0,0207 0,0209 0,0211
Massa (g)
Figura 9- Distribuição das massas dos 50 dosímetros do lote de TLD-800.
96
Conclusões
Os resultados parciais de análise das respostas dosimétricas do lote de dosímetros TL-800
indicam boa estabilidade com respeito às variáveis de processamento e leitura dos dosímetros,
bem como, a variabilidade do lote encontra-se dentro do intervalo aceitável para padrões de
dosimetria termoluminescente atualmente em prática no Laboratório de Dosimetria
Termoluminescente do IEAv.
Os próximos passos deste trabalho compreendem a irradiação do lote inteiro de dosímetros
termoluminescentes TLD-800 num campo padrão de radiação gama no intervalo de 1 a
300 krad para a medida da resposta TL de cada dosímetro individualmente, a determinação da
dispersão do lote, a linearidade de resposta e o fator de calibração do lote.
Esta dosimetria de altas doses contribuirá significativamente para a melhoria dos testes de
irradiação de componentes eletrônicos executados no Laboratório de Radiação ionizante do
IEAv, cujas doses acumuladas podem chegar a 300 krad.
Agradecimentos
Ao CNPq pela concessão da bolsa de iniciação científica ao primeiro autor do presente
trabalho, dentro do programa PIBIC do IEAv.
Referências
[1] GONÇALEZ, O. L.; FEDERICO, C. A. Relatório interno RT/PEICE-01/2008:
Estimativas de doses do irradiador de 60Co do Laboratório de Radiação Ionizante do IEAv.
São José dos Campos: Instituto de estudos Avançados, 2008.
[2] ASTM INTERNATIONAL. ASTM E 666-99: Standart Practice for Calculating Absorbed
Dose from Gamma and X Radiation, 2009.
[3] FURETA, Claudio; WENG, Pao-Shan. Operational Thermoluminescent Dosimetry.
Singapore: World Scientific, 1998.
[4] FURETA, Claudio. Handbook of thermoluminescent. New Jersey: World Scientific, 2003.
[5] THERMO SCIENTIFIC. TLD-800 Thermoluminescent Dosimetry Material. Disponível
em
<
http://www.thermoscientific.com/ecomm/servlet/productsdetail_11152_L10757_81902_1196
1436_-1 >. Acesso em 18 jun 2012.
Art.17
97
BIOCORROSÃO EM AÇO 300M CARBONETADO A LASER
1
S. M. Rovetta1; S. Khouri1; A. J. Abdalla2, G. de Vasconcelos2, W. Miyakawa2*
Universidade do Vale do Paraíba - Núcleo de Estudos Farmacêuticos e Biomédicos, São
José dos Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: biocorrosão, aços, tratamento termoquímico, laser.
Introdução
A corrosão de superfícies metálicas por micro-organismos que se alimentam de combustíveis
é um problema antigo, que preocupa tanto o setor aeronáutico [1] quanto o petrolífero [2], e
ainda não está totalmente resolvido [3]. De acordo com o periódico Poder Aéreo, de 04 de
junho de 2011, dezenas de bilhões de dólares são gastos anualmente, somente pelo governo
norte-americano, no combate a este tipo de corrosão [4].
A busca constante pela redução de custos operacionais, tanto por empresas comerciais, quanto
pela Força Aérea, tem motivado e incentivado a pesquisa por mecanismos de proteção contra
a corrosão e a relevância do domínio deste tipo conhecimento é inquestionável. Tanto que, no
âmbito do Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial – DCTA, revestimentos
anticorrosivos com primer epóxi em tanques de combustível de aeronaves já eram estudados,
em 2002 [5], em parceria estratégica com a Empresa Brasileira de Aeronáutica – EMBRAER.
O tempo passou e novas ideias surgiram. Diferentes materiais e procedimentos foram
desenvolvidos para melhorar não só a proteção contra a corrosão, como também outras
propriedades específicas dos metais, como dureza e resistência à fadiga e ao atrito. O açocarbono da década de 50 teve o teor de carbono reduzido e recebeu a incorporação de metais
como níquel, cobalto, molibdênio e titânio. Tratamentos termoquímicos a laser [6] e a
plasma [7] também foram estudados no IEAv, buscando aprimorar propriedades de superfície.
O objetivo deste trabalho foi avaliar se o tratamento termoquímico de carbonetação a laser em
aço aeronáutico 300M protege este material contra a biocorrosão influenciada pelo fungo
Penicillium candido.
Metodologia
Dezoito blocos de aço 300M (5 mm x 5 mm x 3 mm) foram polidos até a pasta de diamante
de 12 m e receberam ataque ácido com solução de Nital a 5% por 10 segundos. Nove deles
receberam tratamento de carbonetação a laser, seguindo a metodologia descrita por Reis [8], a
saber: deposição, por pulverização, de uma solução de grafita sobre a superfície dos blocos,
previamente aquecidos a 60C, e sinterização com laser de CO2 contínuo (J48-5W, SYNRAD),
utilizando os seguintes parâmetros: comprimento de onda de 10,6 m; 50 W de potência;
m de diâmetro do feixe sobre a amostra evelocidade de varredura de 200 mm/s.
Para o ensaio de biocorrosão, foram preparados 12 tubos de ensaio contendo 90 mL de meio
de cultura (caldo Sabouraud Dextrose), inoculados com 10 mL de suspensão de esporos
(unidades germinativas) do fungo Penicillium candido. Em cada tubo, foi colocado um único
bloco, da seguinte forma: seis tubos receberam blocos não tratados e seis, blocos
carbonetados. O experimento foi monitorado eletroquimicamente (pH e condutância) durante
54 dias e, ao final desse período, as amostras foram avaliadas por microscopia de força
atômica, comparativamente às amostras que não foram submetidas à biocorrosão (três sem
tratamento e três carbonetados).
98
Na Figura 1, são mostradas comparativamente micrografias de força atômica características
para o aço sem tratamento (Fig. 1a), o aço carbonetado (Fig. 1b), o aço sem tratamento
biocorroído (Fig. 1c) e o aço carbonetado biocorroído (Fig. 1d). As microestruturas típicas de
bainita (elipse branca pontilhada), cementita (círculo branco tracejado) e -ferrita (círculo
branco) podem ser facilmente visualizadas na Figura 1a (aço sem tratamento). A biocorrosão
do aço sem tratamento (Fig. 1c) promoveu perda parcial de definição de contornos dessas
microestruturas, além do aparecimento de pites (pequenas cavidades, indicadas pelas setas
brancas) na superfície da amostra. No aço carbonetado (Fig. 1b), o recobrimento com grafita
não mais permite a visualização das microestruturas de superfície e, após a biocorrosão,
surgiram trincas (elipse pontilhada preta) na camada de carbono (Fig. 1d).
667.43
[nm]
20.00 um
40.00 x 40.00 um
0.00
942.92
[nm]
20.00 um
(a)
40.00 x 40.00 um
(b)
915.68
[nm]
20.00 um
40.00 x 40.00 um
(c)
0.00
0.00
2.05
[um]
20.00 um
40.00 x 40.00 um
0.00
(d)
Figura 1. Micrografias de força atômica típicas de aço 300M (a) não tratado microestruturas
de na superfície não tratada; (b) superfície carbonetada; (c) aço não tratado após a
biocorrosão, e (d) aço carbonetado após a biocorrosão.
À direita de cada micrografia, há um histograma de distribuição de alturas da imagem e o
valor acima do histograma indica a altura máxima (distância entre o ponto mais profundo e o
mais alto da imagem). Observa-se que tanto a carbonetação quanto a biocorrosão do aço não
tratado alargam a distribuição de alturas, quando comparada com o histograma relativo ao aço
não tratado. Isso significa que as superfícies ficaram topograficamente mais irregulares e com
maior variação de distâncias pico-vale. Na Fig. 1d (aço carbonetado biocorroído), o aumento
99
da altura máxima deve estar relacionado com o aparecimento de trincas, pois, aparentemente,
a camada de carbono não foi atacada durante o processo de biocorrosão.
6,0
1,8
5,5
1,6
1,4
condutância (mS)
5,0
pH
4,5
4,0
aço sem tratamento y=5,262-0,004t
3,5
aço carbonetado y=5,389-0,004t
3,0
2,5
1,2
1,0
0,8
0,6
aço sem tratamento y=1,305-0,002t-0.0001t
0,4
aço carbonetado y=1,318-0,0004t+0.0001t
2
2
0,2
0
10
20
30
tempo (dias)
(a)
40
50
60
0,0
0
10
20
30
40
50
60
tempo (dias)
(b)
Figura 2. Curvas de variação de (a) pH e (b) condutância do eletrólito (meio de cultura
inoculado com esporos de P. candidum) em função do tempo, monitorados durante o processo
de biocorrosão dos aços sem tratamento e carbonetado.
A Figura 2 apresenta curvas médias (três tubos de cada grupo) de variação de pH (Fig. 2a) e
condutância (Fig. 2b) do meio de cultura inoculado com esporos do fungo P. candidum, em
que os corpos de prova foram mergulhados para o experimento de biocorrosão. Para o pH, as
curvas para os aços sem tratamento e carbonetado estão bastante próximas e apresentam o
mesmo comportamento decrescente. Estes dados demonstram que ocorreu um aumento
natural da concentração de metabólitos ácidos nos eletrólitos, decorrente do desenvolvimento
e multiplicação dos fungos. As curvas médias de condutância, por usa vez, estão praticamente
sobrepostas. Isso significa que ocorreu igual variação da quantidade de íons presentes nos
eletrólitos, tanto nos tubos contendo aço sem tratamento quanto nos tubos contendo aço
carbonetado. Considerando-se que as micrografias revelaram uma aparentemente resistência
da camada de carbono à biocorrrosão, a condutância medida deve estar mais fortemente
associada à presença de exometabólitos, liberados pelo fungo durante seu ciclo vital, do que à
presença de íons metálicos gerados pela biocorrosão. Como cada tubo continha 100 mL de
eletrólito e a área de metal exposta à biocorrosão era de 25 mm2, a variação de concentração
de íons metálicos provenientes da biocorrosão foi, provavelmente, muito menor do que a de
exometabólitos. A análise eletroquímica evidenciou, portanto, a vitalidade da cultura de
fungos durante o processo de biocorrosão e que os metabólitos ácidos interagiram com a
superfície do metal não tratado, provocando sua corrosão.
Conclusões
As análises morfológicas, associada aos dados de topografia, permitiram concluir que o aço
300M é susceptível a biocorrosão, e que o tratamento termoquímico de carbonetação a laser
protege o aço contra a biocorrosão.
Já a análise eletroquímica evidenciou a vitalidade da cultura, tanto pelo comportamento das
curvas de condutância quanto de pH, revelando que os subprodutos (metabólitos) excretados
pelos fungos têm caráter predominantemente ácido. Estes metabólitos ácidos interagiram com
a superfície do metal não tratado, gerando a sua biocorrosão.
100
Agradecimentos
Ao CNPq (bolsas PIBIC/IEAv), ao CAPES (Pró-Defesa 014/08) e à FAPESP (Processo
2011/11727-3) pelas aquisições de equipamentos e consumíveis e bolsas concedidas.
Referências
[1] Aquarone, E.; Borzani, W.; Lima, U. A. Biotecnologia – Tópicos da microbiologia
industrial. 1ª ed., Editora Edgard Blücher LTDA, São Paulo, v.2, 1986, 231p.
[2] Machado, J. P. S. E. R.; Gomes, V.; Martins, S. C. S.; Melo, V. M. M.; Sobral-Santiago,
A. V. C.; Sant’ana, H. B. Avaliação da corrosão microbiológica no aço inoxidável 444 por
micro-organismos presentes em amostras de petróleo. In: Anais das JORNADAS SAM,
CONGRESO CONAMET – SIMPOSIO MATERIA 2003, Bariloche, Rio Negro, Argentina.
Disponível
em:
http://www.materialessam.org.ar/sitio/biblioteca/bariloche/Trabajos/A06/0623.PDF. Acesso em: 22 fev 2011.
[3] Rajasekar, A.; Ting, Y.-P. Inhibition of Biocorrosion of Aluminum 2024 Aeronautical
Alloy by Conductive Ladder Polymer Poly(o-phenylenediamine). Ind. Eng. Chem. Res.,
v.50, p. 2040–2046, 2011.
[4] Poggio, G.; Corrosão – o inimigo oculto. Poder Aéreo – Informação e Discussão sobre
Aviação Militar e Civil, 04 de junho de 2011: seção de Manutenção, Noticiário Internacional
e Tecnologia, p. 1-12, 2011.
[5] Silva, R. A.; Rezende, M. C. Corrosão influenciada por micro-organismos em tanques de
combustível de aeronaves. In: Anais do XV CBECIMAT - Congresso Brasileiro de
Engenharia e Ciência dos Materiais, 9-13 de Novembro de 2002, Natal, RN, p. 3695-3702,
2002.
[6] Vasconcelos, G.; Costa, G. N. P.; Mello, C. B.; Antunes, E. F. Covering steel surface with
carbon black by CO2 laser. Mat. Sci. Fórum, v.660-661, p. 249-251, 2010.
[7] Abdalla, A. J.; Carrer, I. R.; Barboza, M. J. R.; Moura Neto, C. Estudo de fluência em
aços 4340 com diferentes microestruturas e tratamento de carbonitretação a plasma. In: Anais
do XIX CBECIMAT - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência de Materiais, 25 a
29 de Novembro de 2010, Campos de Jordão, SP, ref. 317-045. Disponível em:
http://www.cbecimat.com.br/detalhes.asp?Id=886. Acesso em 22 de fevereiro de 2010.
[8] REIS, J. L. Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO2. 2009.
105 F. Dissertação (Mestrado em Ciências em Engenharia Aeronáutica e Mecânica dos
Materiais Aeroespaciais) – Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Campo Montenegro, 2009.
Art.18
101
ESTUDO DA AERODINÂMICA INTERNA EM EQUIPAMENTOS DE
ENSAIO EM SOLO PARA PESQUISA DE ESCOAMENTOS
HIPERSÔNICOS E DA COMBUSTÃO SUPERSÔNICA
D. A. S. Borges1*; D. F. Carraro2**; V. S. F. O. Leite 3
Faculdade de Tecnologia de São José dos Campos – SP
²ETEP Faculdades, São José dos Campos – SP
3
Instituto de Estudos Avançados–Divisão de Suporte Tecnológico, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: bocais, gerador de ar viciado, túnel de choque, escoamento hipersônico.
Introdução
Para a pesquisa de escoamentos hipersônicos e da combustão supersônica são necessários
equipamentos de ensaios em solo para estudar/simular os fenômenos físicos envolvidos em
um vôo real. Neste sentido, o IEAv possui, em seus laboratórios de Aerotermodinâmica e
Hipersônica, três tipos de equipamentos que são fundamentais para os estudos acima citados,
sendo estes: túneis de choque (T1, T2 e T3), acelerador hipersônico de massa (Zarabatana) e
bancada de teste de combustores supersônicos [1].
Nos três equipamentos de ensaios apresentados a obtenção das condições de teste e o controle
das mesmas são conseguidos através do estudo da aerodinâmica interna (bocais e difusores) e
externa (ondas de choque cônicas e obliquas que se formam sobre o modelo).
Desta maneira, o objetivo deste trabalho é o cálculo das condições do escoamento no interior
de dutos, bocais e difusores (aerodinâmica interna) de partes existentes nos equipamentos de
ensaio em solo citados, sendo estas: a tubeira do túnel de choque T3 e o bocal acoplado ao
gerador de ar viciado (GAV), da bancada de testes de combustores supersônicos. Este estudo
visa principalmente a obtenção de uma ferramenta computacional que permita facilitar a
preparação das condições de teste e o controle das mesmas, nos equipamentos acima citados,
contribuindo desta forma para o andamento da pesquisa de escoamentos hipersônicos e da
combustão supersônica.
Metodologia
Com relação ao presente trabalho é necessária uma explicação resumida sobre o
funcionamento do tubo de choque e da bancada de teste de combustores supersônicos,
equipamentos estes que possuem bocais para a aceleração do escoamento [2].
Figura 1. Desenho esquemático do túnel de choque.
O túnel de choque é composto de duas seções: uma câmara de alta pressão (driver) e uma
câmara de baixa pressão (driven), separadas por uma seção de duplo diafragmas (DDS II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.102-107, 2013
102
Double Diaphragm Section), acopladas a um bocal, que acelera o escoamento à velocidade
(número de Mach) desejada, como mostrado na Figura 1. Este equipamento serve para
simular as condições de velocidade e altitude (pressão e temperatura) de um modelo em um
vôo real. Neste caso o modelo fica fixo na seção de testes e o escoamento passa sobre ele.
A bancada de testes de combustores supersônicos é composta basicamente de um gerador de
ar viciado (GAV) e um bocal supersônico (Figura 2). Este equipamento de ensaios é usado
principalmente para o estudo da combustão supersônica, pois simula as condições do
escoamento dentro de um combustor de um “SCRamjet” (“Supersonic Combustion Ramjet”),
sendo este escoamento de alta temperatura e número de Mach entre 2,5 e 3.
CONDIÇÕES
DE
ENSAIO
CONDIÇÕES
DE
ENTRADA
GERADOR DE AR VICIADO
BOCAL
COMBUSTOR A SER
TESTADO
Figura 2. Desenho esquemático da bancada de testes de combustores supersônico.
A condição de alta temperatura é obtida por combustão, no gerador de ar viciado, e a de
velocidade supersônica é obtida pela passagem do escoamento aquecido através do bocal
supersônico convergente-divergente. A bancada de testes do IEAv é do tipo diretamente
conectada, isto é, o combustor a ser testado é diretamente conectado ao bocal supersônico.
Inicialmente, foi feito o estudo do bocal acoplado ao GAV, para o qual foram utilizados,
como base para definir a pressão e a temperatura na entrada do bocal, os valores
experimentais que foram obtidos no interior do modelo do combustor do veículo hipersônico
(14-X), que está sendo desenvolvido no IEAv, ensaiado no túnel de choque T3. Foram
obtidos os seguintes valores de temperatura e pressão: T = 1039,5 K e P = 89108 Pa, assim
como o valor do número de Mach igual a 2,6. Esses dados especificam as condições que
devem ser simulados na bancada de testes de combustores supersônicos, na saída do bocal.
Para definir a relação entre as áreas da garganta e da saída do bocal, para simular o número de
Mach igual a 2,6, foram utilizadas as equações para escoamento quase-unidimensional [3] e
[4], para este número de Mach, mais especificamente a Equação (1),
,
(1)
onde A* é a área da garganta, A é a área na saída do bocal, M é o número de Mach na saída do
bocal e  e a razão entre os calores específicos a pressão constante (cp) e a volume constante
(cv).
Com a relação de áreas encontrada e considerando o raio da garganta igual a 10 mm, tem-se
que o raio na saída do bocal é igual a 17,02 mm.
O cálculo das condições do escoamento de estudo foi feito através de simulação numérica
utilizando o programa comercial de dinâmica de fluidos computacional FLUENT [5], [6] e [7]
e utilizou-se o aplicativo GAMBIT [8] para desenhar e gerar a malha necessária para a
simulação do bocal, onde o mesmo foi desenhado pela metade, para que a simulação fosse
feita de forma axissimétrica. A geometria foi dividida igualmente em 10 partes, e definiu-se
103
que os pontos para geração de malha de entrada, saída e de cada segmento de seu eixo
longitudinal possuiriam um espaçamento de 1 mm entre eles, ou seja, 30 pontos na entrada e
saída e 10 pontos em cada segmento do eixo, com exceção do primeiro segmento onde
encontrava-se a curvatura, que teve a geração de malha automática pelo próprio “software”.
Com a malha pronta, deu-se inicio a etapa de simulação. Utilizando os valores obtidos
anteriormente para a pressão e temperatura de estagnação, através das equações das relações
isentrópicas [3], foram definidas assim as condições iniciais para a simulação, como também
os métodos que seriam utilizados pelo FLUENT. Para simulação, desprezou-se a viscosidade
e utilizou-se o método padrão de resolução do próprio “software” usado para esse tipo de
problema.
Para a primeira etapa de simulação, considerou-se o escoamento como caloricamente perfeito,
isto é, os calores específicos do gás (cp e cv) não sofrem variação com a temperatura, isto é,
são constantes. Neste caso, do ar atmosférico, o valor de  é constante e igual a 1,4 [3].
Para simular bocal do túnel de choque T3, foram consideradas as dimensões reais do mesmo,
no caso, os diâmetros da garganta e da saída iguais a 44,24 mm e 451,9 mm respectivamente,
e o mesmo padrão de malha utilizado anteriormente foi mantido, assim como o método de
obtenção das condições de contorno iniciais e finais, baseando-se nos valores reais obtidos de
dados experimentais, onde a pressão e temperatura encontradas foram: P= 1782160 Pa e T=
2444,904 K.
Os valores obtidos da simulação utilizando o modelo de gás caloricamente perfeito foram
comparados com os dados tabelados, encontrados na referencia [3], conseguindo uma ótima
concordância dos dados. Assim obtendo confiança no método utilizado, partiu-se para uma
segunda etapa de simulação, onde as mesmas malhas utilizadas para o modelo caloricamente
perfeito foram simuladas considerando o modelo de gás congelado. O modelo de gás
congelado assemelha-se ao modelo caloricamente perfeito, ou seja, o valor de  é considerado
constante ao longo do bocal. A diferença entre o escoamento caloricamente perfeito e o
congelado, é que, com auxilio do aplicativo GASEQ, foi calculado o  na entrada do bocal,
considerando o ar dissociado, para a temperatura e a pressão nesta região, e foi aplicado este
valor de , constante para todo o escoamento ao longo do bocal. O motivo de adotar um
modelo de gás congelado para o escoamento é tentar encontrar resultados mais próximos do
valor real, pois neste modelo é considerada a composição química do ar dissociado na entrada
do bocal, devido à alta temperatura e pressão o que não ocorre no modelo caloricamente
perfeito.
Foram desenvolvidas preliminarmente inúmeras geometrias internas para o bocal do GAV,
respeitando a relação de áreas, mantendo a mesma malha e o mesmo comprimento do bocal,
até que a melhor geometria fosse encontrada, comparando os resultados achados para o
comportamento do escoamento no interior do bocal para cada caso. O escoamento tinha que
atingir a velocidade estipulada no projeto, igual ao número de Mach 2,6, assim como algumas
características físicas de bocais em geral, como, por exemplo, a de Mach 1 na garganta, como
também uma distribuição uniforme das condições do escoamento ao longo do mesmo.
Algumas versões foram descartadas por não atingir os requisitos esperados para o mesmo.
A geometria escolhida destacou-se por não apresentar a discordância encontrada nos
primeiros bocais e por alcançar a velocidade na saída esperada para relação de áreas
especificada para o número de Mach desejado, igual a 2,6. Neste caso a curva na entrada do
bocal ficou bem suave, com o valor de raio igual a 20 mm, e a distribuição das condições do
escoamento no interior do bocal foram bem homogênea e uniforme.
104
As Figuras 3 e 4 mostram as distribuições de temperatura ao longo do bocal da bancada de
testes de combustores supersônicos, acoplado ao GAV para os casos caloricamente perfeito e
congelado respectivamente.
Figura 3. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do GAV, com
velocidade na saída igual à Mach 2.6 - modelo de gás caloricamente perfeito.
Figura 4. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do GAV, com
velocidade na saída igual à Mach 2,42 - modelo de gás congelado.
Como já mencionado anteriormente, para simulação do T3 foi utilizada a mesma metodologia
do caso do bocal do GAV, considerando como condição de entrada do bocal, os dados obtidos
experimentalmente no túnel T3. Da mesma forma que no caso anterior, foi considerado
inicialmente o modelo de gás caloricamente perfeito para a simulação e depois comparados os
dados calculados com os tabelados na referência [3], obtendo-se uma ótima concordância de
resultados. Uma vez obtida a confiabilidade no método utilizado para o bocal do túnel T3, foi
feita a segunda simulação, considerando o modelo de gás congelado. Os resultados da
distribuição de número de Mach estão mostrados nas Figuras 5 e 6 respectivamente.
105
Figura 5. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do T3, com
velocidade na saída igual à Mach 6,98 - modelo de gás caloricamente perfeito.
Figura 6. Distribuição de velocidades ao longo do eixo longitudinal do bocal do T3, com
velocidade na saída igual à Mach 6,21 - modelo de gás congelado.
Conclusões
Com base na metodologia mostrada, as condições do escoamento ao longo dos bocais
supersônicos foram calculadas, a partir dos dados obtidos dos ensaios do modelo do
combustor do 14-X no túnel de choque T3, utilizando o aplicativo FLUENT. Após inúmeras
simulações, foi visto que embora o funcionamento do bocal esteja diretamente ligado à
relação de áreas (A/A*), a geometria interna do mesmo pode influenciar nas condições no
escoamento e no cálculo computacional, como por exemplo, posicionamento da garganta ao
longo do eixo longitudinal do bocal, diâmetro da garganta, raio de entrada da garganta suave,
e do método utilizado para simulação, pois alguns casos estudados devido à geometria
escolhida, não convergiram.
106
Os dados obtidos pela simulação numérica foram iguais aos tabelados para os casos dos
modelos caloricamente perfeitos, dando confiança desta maneira para que a metodologia
também pudesse ser usada para os modelos de gás congelado tanto para o bocal do GAV
quanto para o do túnel T3.
Concluindo, torna-se aceitável o uso da ferramenta computacional para auxiliar na preparação
dos equipamentos de ensaios em solo. Embora os resultados sejam aproximações do real
fenômeno físico que ocorre ao longo do escoamento, a ferramenta permite a previsão de
algumas discordâncias que podem ocorrer durante o ensaio, antecipando a sua correção.
Agradecimentos
Agradecemos ao CNPq pelo incentivo financeiro e reconhecimento a pesquisa e ao IEAv por
disponibilizar suas instalações e dar todo o apoio necessário para o desenvolvimento do
trabalho.
Referências
[1] LEITE, V. S. F. O. Caracterização do escoamento de uma bancada de testes de
combustores supersônicos alimentada por ar viciado. 2006. 227 f. Dissertação (Doutorado em
Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica, Área de
Aerodinâmica, Propulsão e Energia) - ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José
dos Campos, 2006.
[2] TOURANI, CHANDRAPRAKASH. Computational simulation of SCRamjet combustors
– a comparison between quasi-one dimensional and 2-d numerical simulations. 2011. 114 f.
Dissertação (Mestrado em Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeroespacial)
- University Of Kansas School Of Engineering, Kansas, 2011.
[3] ANDERSON JR., J. D. Fundamentals of Aerodynamics. New York: McGraw-Hill Book
Co., 1991.
[4] ALMIR GOMES DE ALMEIDA. Estudo de bocais convergentes-divergentes para
produção de escoamentos supersônicos no sistema de plasma do LPP-ITA. 122 f. Dissertação
(Mestrado em Ciência no Curso de Pós-Graduação em Engenharia Aeronáutica e Mecânica,
Área de Aerodinâmica, Propulsão e Energia) - ITA - Instituto Tecnológico de Aeronáutica,
São José dos Campos, 2004.
[5] ANSYS, Evaluation of Gradients and Devivatives. EUA, 2006. Disponível em:
http://hpce.iitm.ac.in/website/Manuals/Fluent_6.3/fluent6.3/help/html/ug/node994.htm
Acesso: 15 Nov. 2012.
[6]
ANSYS,
Using
the
Solver.
EUA,
2006.
Disponível
em:
http://hpce.iitm.ac.in/website/Manuals/Fluent_6.3/fluent6.3/help/pdf/ug/chp25.pdf
Acesso: 20 Set. 2012.
[7] CORNELL. Fluent Learning Modules. EUA, 2006. Disponível em:
https://confluence.cornell.edu/display/SIMULATION/FLUENT+Learning+Modules
Acesso em 20 Nov. 2012.
[8] ANSYS GAMBIT. GAMBIT 2.4 Documentation. EUA, 2004.
Art.19
107
RECONHECIMENTO DE PADRÕES EM IMAGENS AÉREAS
M. G. M. Rodrigues1, 2, E. M. Fraga1, 3, E. H. Shiguemori1
Instituto de Estudos Avançados, EGI, São José dos Campos
2
Faculdade de Tecnologia São Francisco, FATESF, Jacareí
3
Universidade Paulista, UNIP, São José dos Campos
[email protected], [email protected], [email protected]
1
Palavras-chave: OpenCV, ORB, navegação autônoma.
Introdução
Neste projeto de iniciação científica, técnicas de reconhecimento de padrões em imagens
aéreas são estudadas e implementadas. O algoritmo ORB é utilizado para reconhecer padrões
em imagens aéreas com variações de rotação e escala. O objetivo foi fornecer alternativas
para o referenciamento geográfico de aeronaves. As técnicas estudadas podem ser aplicadas
no auxílio à navegação autônoma de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) [6].
Metodologia
Estudou-se a aplicação de dois tipos de reconhecimento de padrões: técnicas baseadas em
casamento de modelos e técnicas baseadas em extração de características.
No casamento de modelos [3], todos os píxeis da imagem são considerados tal como
aparecem em uma cena, sem considerar a influência de fatores como luminosidade e a posição
da câmera em relação à cena. Desta forma, dois padrões são considerados iguais somente
quando a diferença entre os píxeis que o representam está abaixo de um limiar. Para
reconhecer um padrão, deve-se definir inicialmente uma subimagem que represente o padrão
a ser identificado. Esta subimagem é chamada de modelo. Em seguida, para cada imagem na
qual se espera reconhecer o padrão, são extraídas subimagens de dimensões iguais às do
modelo, em todas as posições, conforme mostrado na Figura 1. Nas posições onde a
subimagem extraída tiver semelhança com o modelo, segundo os valores dos píxeis, o padrão
é considerado reconhecido [3, 7].
Figura 1. Casamento de modelos.
108
A semelhança entre o modelo e cada subimagem candidata é determinada segundo um critério
estatístico preestabelecido [3]. A biblioteca OpenCV fornece implementações para três tipos
de casamento de modelos, de acordo com os seguintes critérios de semelhança: diferença
quadrática, correlação cruzada e coeficiente de correlação [8].
O casamento de modelos usado isoladamente não permite identificar padrões em imagens
com diferentes luminosidades, fatores de escala ou ângulos de rotação. Variações de
luminosidade podem ser contornadas aplicando-se previamente um algoritmo detector de
bordas às imagens. Pode-se obter invariância a escala usando-se duplicações das subimagens
de diferentes tamanhos, geradas após a utilização de um filtro de suavização. Esta técnica é
conhecida como pirâmide de imagens. Considerando que é necessário gerar uma pirâmide de
imagem para cada subimagem na cena, o custo computacional deste tipo de casamento de
modelos é elevado [1].
As técnicas de reconhecimento de padrões baseadas em extração de características [2, 9, 11]
não consideram os píxeis isoladamente, mas sim a relação entre um píxel e seus vizinhos na
mesma imagem. A primeira etapa do processo consiste em encontrar pontos-chave na imagem
contendo o padrão que se deseja identificar. Um ponto-chave (ou ponto de interesse) é um
ponto na imagem que ajuda a caracterizar objetos de interesse na cena. Por exemplo, para
detectar um objeto quadrado, basta localizar os quatro cantos deste objeto em uma cena, ou
seja, somente quatro pontos-chave. Após a determinação de quais são os pontos de interesse
de uma imagem, é necessário computar características desses pontos que os distingam uns dos
outros. A escolha das características extraídas nesta etapa depende dos critérios utilizados
para localizar os pontos-chave. No caso dos pontos de interesse consistirem de cantos na
imagem, por exemplo, pode-se extrair como característica a diferença média de valor entre os
píxeis interno ao canto e os píxeis externos. O conjunto de características associadas a um
ponto-chave é chamado descritor [1]. A determinação de pontos-chave e o cálculo dos
descritores devem ser feitos tanto para a imagem de referência (que contém o objeto a ser
identificado) quanto para a imagem de teste (onde se deseja encontrar o mesmo objeto).
Assim, o reconhecimento do objeto é feito a partir do casamento dos pontos-chave entre as
imagens, conforme mostrado na Figura 2, de acordo com suas características. O método usado
para este casamento também deve levar em consideração quais técnicas foram usadas nas
etapas anteriores [8].
Figura 2. Casamento de keypoints.
O algoritmo SIFT (Scale-Invariant Feature Transform) [9] descreve um método robusto de
reconhecimento de padrões baseado em características. Este algoritmo permite reconhecer
objetos de forma invariante a escala e rotação, além de ser resistente a ruídos e variações de
109
iluminação. Os pontos-chave são localizados usando-se Diferenças de Gaussianas. A
invariância a escala é conseguida usando-se pirâmide de imagens durante a geração de
descritores. Cada descritor é calculado a partir de um histograma de gradientes ao redor do
ponto de interesse, sendo representado por um vetor de 128 dimensões [9]. Devido ao grande
número de dimensões nos descritores, o custo computacional da etapa de casamento no SIFT
limita a sua utilização em aplicações de tempo real [2].
O algoritmo SURF (Speeded Up Robust Feature) [2] apresenta uma alternativa ao SIFT,
oferecendo robustez semelhante e custo computacional reduzido. O método baseia-se no
SIFT, porém utiliza imagens integrais e descritores simplificados para obter eficiência
computacional [2].
O algoritmo ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF) [11] é uma abordagem mais recente
ao problema, possuindo invariância a rotação, resistência a ruído e rápida execução.
Os autores demonstraram que o ORB é duas ordens de magnitude mais rápido que o SIFT,
enquanto obtém resultados de mesma qualidade (e melhores que os obtidos pelo SURF) em
muitas aplicações [11].
O ORB é construído com base no detector de pontos de interesse FAST [10] e do extrator de
descritores BRIEF [4].
Neste trabalho, o algoritmo ORB foi utilizado para localizar objetos equivalentes em
diferentes imagens aéreas, com o objetivo de determinar as diferenças de localização das
câmeras entre uma imagem teste e uma imagem de referência. Estas diferenças são
representadas pelas transformações de similaridade (translação, rotação e escala uniforme)
coplanares que são necessárias para transformar a imagem teste em uma imagem com a
mesma projeção da imagem de referência.
Aplicando-se o ORB nas duas imagens de entrada, é obtida uma lista de pares de
coordenadas, onde cada par identifica um ponto na imagem de referência e seu
correspondente na imagem teste. A cada par também está relacionado o valor da distância
entre os pontos-chave no espaço de atributos. Assim, pode-se estabelecer quais pares têm
mais chances de representarem uma real correspondência na cena.
Assumiu-se, para os propósitos deste trabalho, que as imagens não possuem rotações fora do
plano. Isto se justifica pelo fato de que todas as imagens aéreas utilizadas foram captadas com
o eixo óptico da câmera perpendicular ao terreno. Desta forma, são necessários apenas dois
pares de pontos-chave válidos, pare que se determinem os parâmetros da transformação de
similaridade entre duas imagens [1, 5]. Estes parâmetros são determinados pelas relações
entre os vetores formados pelos dois pontos de interesse em cada imagem. A translação é a
distância entre as origens dos vetores. A escala pode ser calculada pela razão entre os
módulos dos vetores. A rotação é dada pela diferença entre os ângulos dos vetores [1]. Este
método é bastante simples, mas pode falhar caso um dos pontos-chave seja falso. O problema
foi contornado com o uso de três pares de pontos. Neste caso, um triângulo é formado em
cada imagem, pela ligação dos três pontos. Se os dois triângulos não forem similares,
significa que ao menos um dos pontos-chave é falso, e pode-se descartar os três pares. Outros
três pares são selecionados e o teste se repete até que sejam encontrados triângulos similares.
A Figura 3 mostra um exemplo de par de triângulos formados por pontos de interesse
equivalentes.
110
Figura 3. Triângulos similares formados por keypoints casados.
Para testar a eficácia dos algoritmos desenvolvidos para o problema proposto, utilizaram-se
imagens modificadas sinteticamente para apresentar diferenças pré-determinadas nos
parâmetros da transformação de similaridade. Executou-se então o algoritmo de
reconhecimento usando-se as duas imagens (original e modificada) como entrada.
O erro na estimativa de rotação foi medido pela diferença entre o ângulo de rotação real e o
estimado, em graus, de acordo com a Equação 1. Levou-se em consideração que o ângulo de
rotação obedece a uma função circular, na qual uma rotação de 360º resulta em uma imagem
igual à original (0º). Desta forma, por exemplo, o erro de estimativa entre os ângulos 355º e 5º
é de apenas 10º (e não 350º).
ε a =min (a2− a1, a1 +360− a2),a 1≤ a2
(1)
O erro na estimativa de escala foi medido pela razão entre o fator de escala real e o estimado,
de acordo com a Equação 2. Considerou-se que o erro entre os fatores de escala 1:1 e 2:1 é o
mesmo que aquele entre os fatores 1:2 e 1:1. Assim, o erro é expresso como uma função
logarítmica desta razão de fatores.
s2
ε s= ∣log 2
∣
s1
( ) (2)
Primeiramente, foram utilizados apenas dois pares de pontos-chave no algoritmo de correção.
A Figura 4 mostra a eficácia deste método.

(b)
Figura 4. Correção de rotação e escala a partir de similaridade de vetores.
111
O erro circular foi próximo de 0º na maior parte dos testes, mas atingiu valores próximos de
180º para algumas combinações de imagens, indicadas por pontos escuros no gráfico da
Figura 4 (a). Da mesma forma, a estimativa de escala apresentou erros significativos em
alguns testes, como pode ser visto no gráfico da Figura 4 (b).
Em seguida, usaram-se três pares de pontos-chave. O resultado é mostrado na Figura 5.
Devido à eliminação de casamentos falsos de pontos de interesse, o erro foi próximo de zero
em todos os casos testados, tanto para a estimativa de escala quanto de rotação.
(a)
(b)
Figura 5. Correção de rotação e escala a partir de similaridade de triângulos.
A execução do algoritmo levou, em média, apenas 79 ms para reconhecer um padrão de
253x159 píxeis em uma imagem de 471x418 píxeis.
Conclusões
Observou-se que as técnicas de reconhecimento de padrões baseadas em extração de
características são as mais adequadas quando existem variações de rotação e escala entre as
imagens. Dentre os métodos presentes na literatura, o ORB se mostrou eficaz e relativamente
rápido.
Com o auxílio de conceitos de geometria plana, foi possível estimar a posição, orientação e
tamanho do padrão reconhecido a partir das informações fornecidas pelo ORB. Esta
estimativa pode ser usada para corrigir a imagem com uma transformação afim, eliminando as
variações de escala e rotação. Assim, é possível determinar as coordenadas geográficas da
imagem captada, usando-se imagens georreferenciadas.
Devido à eficiência do ORB, o algoritmo pode ser executado em tempo suficiente para a
utilização em aplicações de tempo real. Porém, em situações que envolvam maiores
quantidades de dados, a necessidade de se utilizar outras técnicas de processamento deve ser
estudada.
Agradecimentos
Ao Projeto PITER, à Divisão de Geointeligência, ao grupo de pesquisa de Sensoriamento
Remoto e ao CNPq.
Referências
[1] ARAÚJO, S. A. Casamento de Padrões em Imagens Digitais Livre de Segmentação e
Invariante Sob Transformações de Similaridade. São Paulo, 2009.
[2] BAY, H.; TUYTELAARS, T.; VAN GOOL, L. SURF: Speeded Up Robust Features.
Katholieke Universiteit Leuven, 2006.
112
[3] BRUNELLI, R. Template Matching Techniques in Computer Vision: Theory and
Practice. Whiley, 2009.
[4] CALONDER, M.; LEPETIT, V.; STRECHA, C.; FUA, P. BRIEF: Binary Robust
Independent Elementary Features. Lausanne, 2010.
[5] FORSYTH, D. A; PONCE, J. Computer Vision – A Modern Approach. Second
Edition, 2012.
[6] GOLTZ, G. A. M. ; SHIGUEMORI, E. H. ; VELHO, H. F. C. . UAV Position
Estimation By Image Processing Using Neural Networks. In: X Congresso Brasileiro de
Inteligência Computacional, 2011, Fortaleza, CE. Anais do Congresso Brasileiro de
Inteligência Computacional. Fortaleza - CE : Sociedade Brasileira de Redes Neurais, 2011.
[7] GONZALEZ, R. C.; WOODS, R. E. Digital Image Processing. Third Edition, 2008.
[8] INTEL, Open Source Computer Vision Library Reference Manual, 2001. Disponível
em:
http://www.cs.unc.edu/Research/stc/FAQs/OpenCV/OpenCVReferenceManual.pdf.
Acesso em: 15 jun. 2012.
[9] LOWE, D. G. Distinctive Image Features from Scale-Invariant Keypoints. In:
International Journal of Computer Vision. Vancouver, 2004.
[10] ROSTEN, E.; DRUMMOND, T. Fusing Points and Lines for High Performance
Tracking. University of Cambridge, Cambridge, 2005.
[11] RUBLEE, E.; RABAUD, V.; KONOLIGE, K.; BRADSKI, G. ORB: An efficient
alternative to SIFT or SURF. Willow Garage, Menlo Park, 2011.
Art.20
113
ODOMETRIA VISUAL PARA APLICAÇÃO NA NAVEGAÇÃO
AUTÔNOMA DE VEÍCULOS AÉREOS NÃO TRIPULADOS
Q. C. Eller1, 2*, D. M. Adamis1, 3, F. L. L. Medeiros1, E. H. Shiguemori1
1
Instituto de Estudos Avançados, EGI, S. J. Campos, SP, Brasil
2
Universidade Paulista, UNIP, S. J. Campos
3
Universidade Federal de São Paulo, S. J. Campos
*[email protected]
Palavras-chave: navegação autônoma, SIFT, VANT.
Introdução
A Odometria Visual (OV) é um processo computacional empregado na estimação de
localização baseada em análises de dados com uso de sensores ópticos [1] e tem sido utilizada
também em sistemas de navegação aérea [1] e em diversos tipos de sistemas autônomos. Uma
das abordagens para estimação da localização consiste na fusão de dados da OV com dados
provenientes de algum sistema de localização por satélites, por exemplo, Sistemas Globais de
Navegação por Satélites (Global Navigation Satellite System – GNSS) e de sensores inerciais
[2]. Esta fusão de informações é interessante quando se verifica que a precisão da navegação
pode ser prejudicada quando baseada em um único sensor. Por exemplo, na navegação por
satélite existe a possibilidade de ocorrer interferências eletromagnéticas na frequência do sinal
[2] e o sensor inercial tem por característica acumular erros de deriva, principalmente em vôos
prolongados [3].
Diversas pesquisas focam na solução de problemas para navegação autônoma de veículos
aéreos, terrestres e náuticos baseada em visão computacional [4 e 5]. No campo de visão
computacional, uma das técnicas de processamento de imagens utilizada é a técnica SIFT
(Scale Invariant Feature Transform) para extração de pontos característicos invariantes a
mudanças de iluminação, escala, rotação, ruído de imagem e pequenas mudanças na
perspectiva das imagens [6], adequada para aplicação em OV. Através do uso de imagens
captadas por câmeras embarcadas, pode-se extrair informações sobre a superfície sobrevoada
a fim de localizar a aeronave em relação a uma rota planejada e corrigir um sensor inercial,
possibilitando a independência do GNSS [2]. Somado a um sistema de cálculo automático de
trajetórias de vôo, o sistema de navegação autônoma gera informações de vôo para que o
sistema de controle embarcado direcione o Veículo Aéreo Não Tripulado (VANT) para o seu
objetivo [7, 8 e 9].
Neste trabalho, técnicas de processamento de imagens e visão computacional foram aplicadas
em uma videografia obtida por um VANT, o qual foi projetado especificadamente para
obtenção de videografias em diferentes regiões e terrenos. Especificadamente, busca-se testar
a eficácia do algoritmo para OV com uso da técnica SIFT, uma técnica de processamento de
imagens que permite a detecção e extração de descritores locais, a partir de imagens com
variações [8].
Metodologia
O objetivo deste estudo é a determinação de pontos característicos em imagens aéreas a fim
de estimar o deslocamento para navegação autônoma de VANTs utilizando a técnica SIFT.
Para aplicação, foi montado um VANT de baixo custo (Figura 1) visando à captura de
videografias em diferentes regiões e terrenos e, assim, testar a eficiência do algoritmo. O
VANT faz uso de sistemas inerciais, tais como acelerômetro, barômetro, magnetômetro e
114
giroscópio, como também, uma interface para expansão de novos dispositivos, como por
exemplo, de um GPS (Global Positioning System). O sistema de controle utilizado é
denominado Multiwii, escolhido por ser de código aberto, sendo possível sua modificação e
customização [10], [11], [12].
Figura 1 – VANT para captura de videografias
A Figura 2 apresenta um fluxograma do processo, proposto neste trabalho, para estimar o
deslocamento de VANTs com uso da captura de videografias. A detecção e a descrição de
características em imagens podem ser utilizadas no reconhecimento de uma região
sobrevoada, e aplicadas ao estudo de OV. A obtenção de descritores SIFT é feita através da
detecção dos extremos, localização dos pontos característicos ou pontos de interesse,
definição de orientação e construção do descritor de pontos chaves. Para a correspondência
entre os pontos faz-se o uso de duas imagens, It e It+∆t, obtidas em diferentes instantes de
tempo durante a navegação aérea, com visada nadir.
Imagem It
Capturar
Frames
SIFT
Imagem It+
Calcular o
Deslocamento
t
Figura 2 – Fluxograma do processo para estimar o deslocamento de VANTs
Na imagem It, identificamos os pontos de interesse e comparamos com os pontos da imagem
It+∆t com uso do cálculo da distância Euclidiana. Assim sendo, caso a distância seja menor
que a distância do vizinho mais próximo, atribui-se como um ponto válido – fazendo a ligação
entre eles, caso contrário, segue para o próximo ponto de interesse, até que seja feito em todos
os pontos da imagem It e It+∆t. Na Figura 3, podem ser observadas as linhas que conectam os
pontos de interesse da imagem It e It+10.
115
Imagem It
Figura 3 – Detecção dos pontos de interesse na imagem It e It+10
Imagem
It+10
Com base em um sistema de visão estéreo – imagens obtidas no instante It e It+∆t – pode-se
estimar o deslocamento do VANT, em pixels (px), obtida com câmera monocular [2]. Para o
nosso estudo, criou-se um cenário (Figura 4) para estimar o deslocamento do VANT em
metros. Com uma câmera voltada para baixo, sabe-se que a distância entre a região ou terreno
sobrevoado é igual a altitude relativa ao solo – dado obtido com barômetro.
Θi = ângulo de abertura do sensor óptico
Sx = dimensão real da imagem (eixo X) no
tempo t+∆t
Sy = dimensão real da imagem (eixo Y) no
tempo t+∆t
h = altura no tempo t+∆t
D = deslocamento do VANT
Figura 4 – VANT em um cenário real
Neste estudo, o deslocamento, em pixels, à partir do casamento dos pontos de interesse foi
obtido através do cálculo da mediana. Conhecendo as características da câmera e a altura em
relação ao solo, é possível calcular o quanto equivale um pixel na imagem – conforme
Equação (1).
(1)
Com o objetivo de avaliar a eficiência do algoritmo para o processamento de imagens aéreas,
foram simulados processamentos entre a imagem It e It+10 (Figura 3) e entre a imagem It e It+20
(Figura 4). Foram utilizadas imagens, no formato de 640 x 480 pixels, de uma região
116
sobrevoada na cidade de São José dos Campos – SP com a utilização do VANT citado neste
estudo.
Imagem It
Figura 4 – Detecção dos pontos de interesse na imagem It e It+20
Imagem
It+20
A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos.
Imagens
It
It+10
It
It+20
Pontos de
Interesse
Detectados
5.442
1.877
5.442
3.496
Tabela 1 – Resultados do Estudo
Deslocamento em
Imagens
Deslocamento
Georeferenciadas
Obtido em [X; Y]
em [X; Y]
(metros)
(metros)
Acerto
em [X; Y]
(%)
[-0,96m; -5,65m]
[-1,01m; -5,08m]
[95,05%; 88,78%]
[-1,73m; -12,59m]
[-1,83m; -11,17m]
[94,54%; 87,29%]
Para as imagens analisadas, o uso da técnica SIFT para detecção de pontos característicos e
para a correspondência entre tais pontos mostra-se apropriado para o problema de estimação
de deslocamento de VANTs. Observa-se, pela análise dos resultados, que a precisão do
algoritmo foi significativa em ambos os testes. Foram estimados, entre as imagens obtidas nos
instantes It e It+10, deslocamentos com acertos de 95,05% no eixo X (horizontal) e de 88,78%
no eixo Y (vertical) e, entre as imagens obtidas nos instantes It e It+20, deslocamentos com
acertos de 94,54% no eixo X (horizontal) e de 87,29% no eixo Y (vertical).
Conclusões
Nota-se neste estudo, que foram obtidos resultados promissores com o uso da técnica SIFT
para estimar o deslocamento do VANT, mostrando que a metodologia é adequada para
aplicação em OV. Novas técnicas serão estudadas para estimar a OV com maior precisão e
menor custo computacional que a utilizada neste trabalho. Um ponto que também deverá ser
estudado é em relação a lente angular da câmera, pois a mesma não gera uma imagem
totalmente ortogonal. Esse problema poderá ser solucionado com a calibração da câmera com
uso de técnicas de processamento de imagem.
117
Agradecimentos
Ao CNPq, através da bolsa de Iniciação Científica PIBIC-IEAv e ao EMAER, através do
projeto PITER, no. V01050303.
Referências
[1] AMIDI, O., KANADE, T., FUJITA, K. A visual odometer for autonomous helicopter
flight, In: Proceedings of the Fifth Internet Conference on Intelligent Autonomous Systems
(IAS-5), June 1998.
[2] CANHOTO, A., SHIGUEMORI, E. H., DOMICIANO, M. A. P. Image Sequence
Processing Applied to Autonomous Aerial Navigation, In: IEEE International Conference
on Signal and Image Processing Applications, 2009.
[3] CONTE, G., DOERTHY, P. An Integrated UAV Navigation System Based on Aerial
Image Matching, In: IEEE Aerospace Conference, March 2008.
[4] KUDUR S., RAVIV D., A vision-based pragmatic strategy for autonomous
navigation. Pattern Recognition. v.31, p. 1221-1239, 1998.
[5] AZINHEIRA, J. R. et all, Visual servo for the hovering of an outdoor robotic airship.
In: IEEE International Conference on Robotics and Automation. [S.1.: s.n.], 2002. p.
2782-2792.
[6] LOWE, D. G. Distinctive image features from scale-invariant keypoints. In:
International Journal of Computer Vision, vol. 60, no. 2, pp. 91-110, 2004.
[7] GOLTZ, G. A. M E SHIGUEMORI, E. H. Aplicação do Algoritmo SIFT em Imagens
de Navegação Autônoma. In: Workshop Anual de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv,
2008, São José dos Campos. Atividades de Pesquisa e Desenvolvimento do IEAv, v. 1. p. 3535, 2008.
[8] SHIGUEMORI, E. H., MONTEIRO, M. V. T. E MATINS, M. P. Landmark’s
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In: IS&T/SPIE 19th Annual Symposium Electronic Imaging Science and Technology, 2007,
San Jose, CA, USA. Image Processing: Algorithms and Systems V, v. 6497, 2007.
[9] MEDEIROS, F. L. L., SHIGUEMORI, E. H., MONTEIRO, M. V. T., DOMICIANO, M.
A. P. E MATINS, M. P. Verificação Automática de Situações de Colisão na Navegação de
Veículos Aéreos Não Tripulados. In: ENIA – VI Encontro Nacional de Inteligência
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Rio de Janeiro, v. XXVII. P. 932-941, 2007.
[10]
MULTIWIICOPTER,
MultiWii
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Disponível
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<http://www.multiwiicopter.com>. Acessado em: 24 Jan. 2013.
[11] ARDUINO, Arduino, Disponível em: <http://www.arduino.cc>. Acessado em: 16 Jan.
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[12] ATXHELI, Guide to setting up and using the CRIUS MWC MultiWii SE Board
Software. Disponível em <http://www.robson.fr/wp-content/uploads/2012/08/NewbiesGuide-to-Setting-Up-CRIUS-MultiWii-SE-board-v4-22-12.pdf>. Acessado em: 16 Jan. 2013.
Art.21
118
TRATAMENTO SUPERFÍCIAL DE AÇO INOXIDÁVEL POR
MÉTODOS A LASER DE CO2
L. G. Oliveira1*; H. S. Oliveira2; C. L. Santos2; V. Teleginski2; D. C. Chagas2; G. de
Vasconcelos2
1
Universidade do Vale do Paraíba – UNIVAP, São José dos Campos - SP
2
Instituto de Estudos Avançados - IEAv, Divisão de Fotônica, São José dos Campos - SP
*
[email protected]
Palavra chave: Laser de CO2; Tratamento térmico com laser; Aço Inoxidável; Grafita.
Introdução
Partes mecânicas sujeitas a contato podem ser submetidas a desgastes excessivos,
necessitando que sua superfície seja alterada para melhorar sua resistência mecânica [1].
O tratamento superficial com Laser pode proporcionar algumas vantagens significativas
como: aquecimento de finas camadas, reduzindo assim, as zonas termicamente afetadas, fácil
manuseio, e ainda, o local de tratamento pode ser controlado com precisão e versatilidade.
Tratamentos superficiais via laser consistem no aquecimento local da superfície da amostra
devido à absorção de radiação emitida pelo feixe seguido de um resfriamento adequado.
Durante o aquecimento, ocorre a transformação de fase no estado sólido para outra nova fase,
também no estado sólido, apresentando uma estrutura austenítica ao ser aquecida e uma
estrutura martensítica ao ser resfriada, formando uma camada endurecida [2]. Uma
propriedade importante dos lasers é a absorção ou reflexão por determinado material. Aços
assim como os metais, apresentam baixa absorção dessa radiação, cerca 10,6 μm,
necessitando de um revestimento absorvedor de radiação incidente [2,3].
Neste trabalho, será avaliada a utilização da grafita como revestimento absorvedor e a
ocorrência de têmpera superficial no aço inox após ser revestido com grafita.
Metodologia
A parte experimental deste trabalho foi realizada utilizando como material uma fita de aço
inox com composição mostrada na Tabela 1 e uma solução de material particulado (Grafite).
A solução de grafite foi produzida misturando-se 15 g de grafita, 150 ml de álcool etílico e
0,15g de carboximetilcelulose (CMC). Estes materiais foram misturados em um moinho
planetário durante 2 horas.
Tabela 1. Composição química do aço inox 304 utilizado no experimento.
AISI 304
C (%)
Fe (%)
Cr (%)
Ni (%)
Mn (%)
Si (%)
Mo (%)
0,027
69,962
19,557
8,994
0,934
0,480
0,072
A Figura 3 apresenta uma micrografia obtida por microscopia eletrônica de varredura (MEV)
da superfície do substrato após a aspersão da solução. Observa-se que o tamanho médio dos
grãos de grafite é da ordem de 3μm e com formato de flocos.
A solução foi aspergida na superfície da amostra utilizando-se uma pistola pneumática,
incidindo-se o jato no sentido horizontal em um número de vezes suficiente para recobrir o
material com uma fina camada de grafite com espessura uniforme, conforme apresentado na
Figura 4.
119
Figura 3. MEV do grão grafite com tamanho médio de 3μm.
Após o recobrimento do aço inox com grafite a superfície da amostra foi posicionada na
região focal do laser (aproximadamente 190 mm) e irradiada conforme mostra a Figura 5.
Figura 4. Recobrimento da amostra com
grafite.
Figura 5. Laser irradiando amostra.
Os parâmetros utilizados foram escolhidos através de testes de dureza e rugosidade, realizados
anteriormente, alterando a velocidade de varredura do feixe, mantendo fixa sua resolução e
potência, conforme ilustrado na Tabela 2. A Figura 6 apresenta um desenho esquemático da
superfície irradiada da amostra.
Tabela 2. Parâmetros utilizados para irradiar amostras.
Velocidade de
Potência
Resolução Nº de ciclos
varredura (mm/s)
(%)
P1
400
300
1
100
P2
500
300
1
100
P3
600
300
1
100
P4
800
300
1
100
P5
1000
300
1
100
P6
1500
300
1
100
Figura 6. Esquema da amostra irradiada.
O laser de CO2 utilizado no experimento apresenta potência de 125 W e diâmetro do feixe no
foco de 0,3 mm (300 µm), marca Synrad FH Flyer. O feixe do laser de CO2 é guiado através
de espelhos galvanométricos sobre a superfície da amostra, gerando trilhas de largura e
espessura controladas via software. A Figura 7 apresenta o arranjo do laser utilizado no
experimento.
120
Figura 7. Laser de CO2 utilizado no experimento.
Após irradiação iniciou-se o processo de metalografia, onde as amostras foram embutidas,
lixadas (utilizando lixas com granas de 100 até 1200), polidas com solução de alumina e
atacadas com solução de nital 3% para revelar as fases martensíticas.
Foram feitas medidas de dureza Knoop (HK) na sessão transversal da amostra partindo-se da
região do substrato até a camada tratada, utilizando indentador Knoop com carga de 25 gf por
10 seg (microdurômetro Future Tech FM-700). Análises microestruturais foram realizadas
utilizando microscopia óptica (MO) na secção transversal. Medidas de rugosidade da camada
alterada pelo tratamento foram realizadas utilizando um rugosímetro eletro-mecânico Taylor
Hobson 1000.
Para o parâmetro P1, onde a velocidade de varredura do feixe laser é 400 mm/s, obteve-se um
valor de dureza máxima da ordem de 562 HK, conforme Figura 8. Este parâmetro de
velocidade foi visto como uma restrição, pois apresentou rugosidade de 0,88 μm. Ao diminuir
a velocidade a rugosidade irá aumentar ainda mais, pois a superfície terá imperfeições.
Analisando a microestrutura resultante do tratamento P1 através de microscopia óptica
conforme Figura 9, obteve-se a espessura da zona tratada (ZT) e zona termicamente afetada
(ZTA).
Figura 8. Perfil de dureza do Parâmetro 1.
Figura 9. ZT e ZTA do Parâmetro 1.
Para o parâmetro P2 com velocidade de 500 mm/s, observou-se uma dureza máxima de 821
HK, conforme Figura 10. Figura 11 apresenta a microscopia óptica do parâmetro P2.
121
Figura 11. ZT e ZTA do parâmetro 2.
Para velocidade de 600 mm/s (P3), observou-se uma dureza máxima de 949 HK, conforme
Figura 12. A Figura 13 apresenta a microscopia óptica do parâmetro P3.
Para velocidade de 800 mm/s (P4), observou-se uma dureza máxima de 653 HK, conforme
Figura 14. A Figura 15 apresenta a microscopia do parâmetro P4
Para o parâmetro P5 com velocidade de 1000 mm/s, obteve-se uma dureza máxima de 594
HK, conforme figura 16. Com a análise de rugosidade, obteve-se uma rugosidade de 0,40 μm.
O fato de este valor ser menor do que no parâmetro P1 está associado ao menor tempo de
122
interação entre o feixe laser e o material. Quanto maior a velocidade de varredura, menor será
o tempo que a amostra fica em exposição à alta temperatura gerada pelo feixe, reduzindo a
ablação da superfície da amostra tratada. A Figura 17 apresenta a microscopia óptica do
parâmetro P5.
Figura 17. Zonas ZT e ZTA do Parâmetro 5.
Através da microscopia óptica da secção transversal de cada parâmetro foi possível observar a
variação que ocorre na espessura das zonas tratadas (ZT) e zonas termicamente afetadas
(ZTA), a Tabela 3 apresenta uma razão entre essas zonas, buscando a menor razão entre elas,
porém com a máxima ZT.
Parâmetros
Tabela 3. Razão entre ZTA e ZT.
ZTA
ZT
ZTA/ZT
P1
20,66
35,17
0,587
P2
26,84
42,75
0,627
P3
26,25
22,08
1,188
P4
24,76
14,46
0,584
P5
8,02
11,28
1,406
Figura 18. Gráfico da variação entre ZTA e ZT.
Analisando o gráfico da Figura 18, observa-se que a medida em que a velocidade de varredura
do feixe de laser aumenta a razão entre as zonas também irá aumentar, isso irá ocorrer, pois a
temperatura necessária para ocorrer o tratamento será menor, devido ao feixe ter menor tempo
123
de contato com a superfície. Para o parâmetro P4 sua razão foi de 0,584, valor considerado
atípico, pois nessa temperatura espera-se que a ZTA seja mais espessa que a ZT.
Conclusão
Através da microscopia óptica, foi possível observar a ocorrência do tratamento térmico nos
parâmetros 1, 2, 3, 4 e 5, medir a espessura da camada tratada e comparar resultados de
dureza e rugosidade. Analisando as durezas encontradas, em todos os parâmetros aplicados
foi possível observar uma melhora significativa em relação ao substrato não tratado. Menores
velocidades de varredura do feixe de laser proporcionam camadas tratadas mais espessas, com
menor razão entre ZT e ZTA e maior rugosidade superficial.
Agradecimentos
Ao CNPQ-PIBIC pela bolsa, ao IEAv pela oportunidade e ao colegas de laboratório pela
ajuda e incentivo.
Referências
[1] Maillet, H. et al. O laser: princípios e técnicas de aplicação, Editora Manole, São Paulo,
1987.
[2] Ganeev, R.A. Low-power laser hardening of steels, Journal of Materials Processing
Technology, 121 (2002), 414-419.
[3] Reis, J. L. Tratamento térmico superficial do aço AISI M2 via laser de CO2, 2009. 104f.
Dissertação de Mestrado, ITA, São José dos Campos, SP.
[4] Dias, A. N.; Chagas, D. C.; Vasconcelos, G. Recobrimento de aços AISI 4340 com BC
via lasers de CO2. In: IV SICI 2010, 2010, SJCampos. IV SICI - Anais do Seminário Anual
de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv. SJCampos: IEAv-CTA, 2010. v. 01. p. 2730.
[5] Costa, P.N.G.; VASCONCELOS, G.; Antunes, F.E. Recobrimento de partes metálicas
com nanopartículas de negro de fumo via laser de CO2. In: III SICI, 2009, São Jose dos
Campos. Anais do Seminário Anual de Iniciação Científica e Pós Graduação do IEAv. São
Jose dos Campos: IEAV-CTA, 2009. v. 01. p. 25-26.
Art.22
124
ROTINA COMPUTACIONAL PARA CÁLCULO DE
PERMEABILIDADE E PERMISSIVIDADE COMPLEXAS DE
AMOSTRAS POSICIONADAS EM LINHAS COAXIAIS
R. G. A. de Lima1*; A. C. C. Migliano2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Programa de Pós-Graduação em Ciências e
Tecnologias Espaciais, São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Avançada, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Permissividade elétrica, Permeabilidade magnética, Rotina computacional.
Introdução
As medidas das propriedades eletromagnéticas de materiais são de grande importância em
diversos campos de pesquisa, como ciência dos materiais, em projeto de circuitos em microondas, no desenvolvimento de absorvedores eletromagnéticos, etc. [1], e também no setor
produtivo, como das indústrias nas áreas de telecomunicações [2], aeronáutica, biomédica,
espacial [3], etc.
Diversas técnicas têm sido desenvolvidas e empregadas na determinação das propriedades dos
materiais eletromagnéticos na faixa de radiofrequência (RF) e micro-ondas, tais como
medidas da Transmissão e Reflexão (T/R) em um sistema de duas portas [1], somente
reflexão e ressonante em um sistema de uma porta [4].
Dentre os métodos de T/R tradicionais, destacam-se os que empregam linhas coaxiais de ar,
guias de ondas retangulares e métodos de espaço livre [1]. No método de linha coaxial de ar,
amostras toroidais são inseridas entre os condutores interno e externo da linha coaxial,
possibilitando medições em largas faixas de frequência.
O algoritmo de conversão de Nicholson-Ross-Weir (NRW) [5-7] possibilita a determinação
direta da permeabilidade (r*) e permissividade complexas (r*) de amostras de materiais, ao
longo da frequência, a partir dos parâmetros de espalhamento (S) de uma rede elétrica de duas
portas. Entretanto, precauções devem ser tomadas para corrigir erros de precisão nos
resultados, como os causados pela posição do material dentro do porta-amostra em relação ao
plano de referência do aparelho. Portanto, o uso do método invariante no plano de referência
baseado no método de NRW [8] reduz as incertezas causadas pela posição da amostra para
obter as propriedades eletromagnéticas do material estudado.
Nesse trabalho abordou-se o desenvolvimento prático relacionado à implementação de uma
rotina computacional em ambiente Agilent VEE, utilizando o método invariante no plano de
referência para determinação da permissividade elétrica e permeabilidade magnética de
amostras toroidais inseridas em linhas coaxiais de ar pelos métodos de T/R. A rotina
computacional desenvolvida tem seu código aberto, o que permite que o usuário tenha acesso
e controle às variáveis do processo e implemente otimizações para exploração dos resultados.
Metodologia
Foi desenvolvida uma rotina computacional em ambiente Agilent VEE que, a partir dos
parâmetros S obtidos com o auxilio de um analisador de redes vetorial (VNA), calcula os
valores de r* e r* por meio do método invariante no plano de referência. Por ter seu códigofonte aberto, é possível obter e alterar os valores das variáveis utilizadas nos cálculos para
uma melhor caracterização da amostra. A Figura 1 apresenta o fluxograma da rotina principal.
125
Os resultados obtidos pela rotina foram comparados com uma ferramenta comercial baseada
no algoritmo de NRW para validação.
Figura 1. Fluxograma da rotina principal
O sistema de medida de duas portas empregado consistiu de um VNA Agilent modelo
8722ES, uma linha coaxial de ar com impedância característica de 50Ω compatível com a
impedância de entrada do VNA, e um porta-amostra do tipo N ou APC-7 onde é posicionado
o material a ser medido, um esquema do arranjo experimental é mostrado na Figura 2 e a
imagem do arranjo experimental utilizado é mostrado na Figura 3. O porta-amostra utilizado
possui (3,040 ± 0,005) mm de diâmetro interno e (7,000 ± 0,005) mm de diâmetro externo.
O analisador de redes foi calibrado utilizando um kit de calibração da Agilent modelo 85052D
de acordo com o procedimento Short-Open-Load-Through (SOLT) [9] na faixa de 0,5 a
4GHz.
126
Analisador de Redes Vetorial
Porta 1
Porta 2
Amostra
Porta-amostra
coaxial
Figura 2. Esquema de uma arranjo de medição
usando linha coaxial.
Figura 3. Arranjo de medição usando linha coaxial
utilizado para validação da rotina.
Uma amostra de PVC foi posicionada em uma linha coaxial preenchida por ar e os parâmetros
S da amostra foram obtidos através de um analisador de redes Agilent modelo 8722ES. As
Figuras 4 e 5 apresentam uma comparação entre a permissividade elétrica e a permeabilidade
magnética, na faixa de frequência de 0,5 a 4 GHz, de uma amostra de PVC calculados pela
rotina implementada e pela ferramenta comercial. A parte real da permissividade e a parte real
da permeabilidade apresentaram 2,14% e 4,7% de diferença entre a rotina implementada e o
programa comercial, respectivamente.
127
3,0
' - Rotina Implementada
'' - Rotina Implementada
' - Ferramenta Comercial
'' - Ferramenta Comercial
Permissividade Complexa
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
500M
1G
2G
3G
4G
Frequência (Hz)
Figura 4. Parte real e parte imaginária da permissividade de uma amostra de PVC posicionada
em uma linha coaxial de ar.
Permeabilidade Complexa
1,0
' - Rotina Implementada
'' - Rotina Implementada
' - Ferramenta Comercial
'' - Ferramenta Comercial
0,5
0,0
500M
1G
2G
3G
4G
Frequência (Hz)
Figura 5. Parte real e parte imaginária da permeabilidade de uma amostra de PVC posicionada
em uma linha coaxial de ar.
A seguir, para demonstrar os efeitos causados pela entrada de um valor incorreto da distância
na permeabilidade e na permissividade do material e validar o algoritmo invariante no plano
de referência, aumentou-se a distância da amostra em relação ao plano de referência de
calibração. Os resultados obtidos pela rotina foram comparados com a ferramenta comercial,
sem alterar o valor de entrada da distância da amostra à porta 1.
As Figuras 6 e 7 mostram que, à medida que a frequência aumenta, os erros causados pela
entrada de um valor incorreto de L1 aumentam. O método de NRW apresentou uma diferença
128
de até 14% no resultado da parte real da permissividade utilizando-se um valor incorreto de
L1. Também se observou uma diferença de 18% na parte real da permeabilidade. Aplicandose o método invariante no plano de referência, essas discrepâncias caíram para 2,9% na parte
real da permissividade e 2,8% na parte real da permeabilidade.
3,0
Permissividade Complexa
2,5
2,0
1,5
1,0
l1=28,42mm
'' - Rotina implementada
l1>28,42mm
'' - Rotina Implementada
0,5
0,0
500M
1G
2G
3G
4G
Frequência (Hz)
Figura 6. Valores da permissividade real e imaginária de uma amostra de PVC variando a
distância entre amostra e plano de calibração.
Permeabilidade Complexa
1,0
l1=28,42mm
0,5
l1>28,42mm
0,0
500M
1G
2G
3G
4G
Frequência (Hz)
Figura 7. Valores da permeabilidade real e imaginária de uma amostra de PVC variando a
distância entre amostra e plano de calibração.
Conclusões
Foi desenvolvida uma rotina computacional em ambiente Agilent VEE para auxiliar na
129
caracterização de materiais eletromagnéticos utilizando o algoritmo invariante no plano de
referência para cálculo da permissividade e permeabilidade relativas complexas, considerando
o método de T/R empregado em linhas coaxiais de ar.
Utilizando um analisador de redes, foram obtidos os parâmetros S de amostras de PVC na
faixa de frequência de 0,5 a 4 GHz e, a partir destes, foram calculadas a permeabilidade e
permissividade relativas complexas do material e seus resultados foram comparados com os
obtidos pela ferramenta comercial para constatar a efetividade da rotina, onde foi observada
uma convergência entre os valores calculados pela rotina com os provenientes da ferramenta
comercial.
A seguir, foram feitas outras medições variando-se a distância entre a amostra e o plano de
calibração, para demonstrar que os erros nos resultados da rotina implementada causados pela
posição da amostra no porta-amostra são menores que os erros causados nos resultados na
rotina de NRW. A rotina implementada apresentou erro de 2,9% na parte real da
permissividade e 2,8% na parte real da permissividade, enquanto que a ferramenta comercial
apresentou 14% de erro na parte real da permissividade e 18% na parte real da
permeabilidade.
Agradecimentos
Ao Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos do IEAv pela infraestrutura, à FAPESP
(projeto nº 2012/01448-2) e à CAPES (projeto Pró-Estratégia nº 026/2012) pelo auxilio
financeiro.
Referências
[1] Rohde & Schwarz, Measurement of dielectric material properties, Application note,
2006.
[2] Pardavi-Horvath, M. Microwave applications of soft ferrites, Journal of Magnetism and
Magnetic Materials, Vols. 215-216, pp. 171-183, 2000.
[3] Pullar, R. C. Hexagonal ferrites: A review of the synthesis, properties and applications of
hexaferrite ceramics, Progress in Materials Science, vol. 57, pp. 1191-1334, 2012.
[4] Côrtes, A. L.; Migliano, A. C. C.; Brito, V. L. O.; Orlando, A. J. F. Practical aspects of
the characterization of ferrite absorber using one-port device at RF frequencies, In: Progress
In Electromagnetics Research Symposium, 2007, Beijing. Proceedings of Progress In
Electromagnetic Research Symposium, vol. 01, pp. 683-687, 2007.
[5] Nicolson, A. M. Broad-band microwave transactions characteristics from a single
measurement of the transient response, IEEE Transactions on Instrumentation and
Measurement, vol. 17, n. 4, pp. 395-402, Dezembro 1968.
[6] Nicolson, A. M.; Ross, G. F. Measurement of the intrinsic properties of materials by timedomain techniques, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 19, n.
4, pp. 377-382, Novembro 1970.
[7] Weir, W. B. Automatic measurement of complex dielectric constant and permeability at
microwave frequencies, Proceedings of the IEEE, vol. 62, n. 1, pp. 33-36, Janeiro 1974.
[8] Chalapat, K.; Sarvala, K.; Li, J.; Paraoanu, G. S. Wideband Reference-Plane Invariant
Method for Measuring Electromagnetic Parameters of Materials, IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, vol. 57, n. 9, pp. 2257-2267, Setembro 2009.
[9] Agilent Technologies, Applying Error Correction to Network Analyzer Measurements,
Application Note AN 1287-3, 2002.
Art.23
130
APLICAÇÃO DA REDE PERCEPTRON DE MÚLTIPLAS CAMADAS
NO PROCESSAMENTO DE IMAGENS AÉREAS
1
L. O. F. Silva1, 2*; E. H. Shiguemori1
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Geointeligência, São José dos Campos - SP
2
Universidade Paulista, UNIP - São José dos Campos - SP
*[email protected]
Palavras-chave: PDI, RNA, Perceptron.
Introdução
O emprego de imagens digitais tem crescido nos últimos anos em diversas áreas.
Impulsionado pelo desenvolvimento tecnológico e computacional, seu uso tem
disponibilizado uma quantidade maior de informações em aplicações como: segurança [1];
automação industrial; sensoriamento remoto; navegação [2]. A extração de informações
destas imagens torna-se importante para extrair características específicas, porém trabalhar
com o processamento de imagens digitais (PDI) gera a necessidade de analise de muitos
dados e de um alto processamento [3]. Neste trabalho são utilizadas redes neurais artificiais
(RNA) em imagens aéreas para extração automática de informações, como abordada na
pesquisa a classificação de regiões. As RNA tem baixo custo computacional, são tolerantes a
falhas e possuem capacidade de aprendizagem, que as tornam indicadas para o processamento
de imagens. Estas redes são modelos computacionais não lineares, inspirados na estrutura e
operação do cérebro humano, que procuram reproduzir características humanas, tais como
aprendizado, associação, generalização e abstração [4]. São efetivas no aprendizado de
padrões a partir de dados não lineares. Seu conhecimento é adquirido através de um processo
de aprendizagem, que são armazenados nos seus pesos. O algoritmo de treinamento realiza
ajustes para que um conjunto de dados de entrada produza uma saída desejada, que pode ser
obtido de diferentes formas como: treinamento supervisionado, a rede é treinada pela
apresentação dos vetores de entrada e seus respectivos vetores de saída, chamados de pares de
treinamento; e treinamento não supervisionado, o seu treinamento não requer vetor alvo para
as saídas e não faz comparações para determinar a resposta ideal, o aprendizado ocorre
quando a rede neural atinge uma solução generalizada para uma classe de problemas [4]. A
Figura 1 ilustra um neurônio artificial.
Figura 1. Estrutura simples de um neurônio [4].
131
Metodologia
Inicialmente é realizado um processamento de imagem que são extraídos de uma janela de
30x30 pixels cinco atributos que na literatura vem mostrando melhores resultados neste
processo. Estes atributos são a média (µi) calculada pelo somatório dos valores de níveis de
cinza (nc) de todos os pixels da imagem dividido pelo total de pixels (n=nlin*ncol), variância
(σi) mede a variação dos níveis de cinza da imagem dada pela somatória dos níveis de cinza
(nc) menos a média (µi) elevada ao quadrado e dividida pelo total de pixels (n), desvio padrão
é a raiz quadrada da variância (σi) e informa sobre a maior ou menor homogeneidade, ou
heterogeneidade, de uma imagem digital, entropia é menos a soma de toda a probabilidade de
ocorrência (Pi) multiplicada pelo log2 da (Pi) e o gradiente que é o método de detecção e
realce de bordas, e dado pela média do gradiente ao quadrado na direção x e y da imagem
[4,5,6]. Em seguida, a rede neural é empregada para classificar padrões em imagens utilizando
esses cincos atributos.
O estudo se baseia em aplicar a Rede Neural Perceptron de Múltiplas Camadas com o
objetivo de classificar regiões nas imagens como urbana e rural, e que dentro das revisões
bibliográficas realizadas vem sendo mais utilizada e seus resultados apresentados estão sendo
satisfatórios. No desenvolvimento foram utilizado o MATLAB e a linguagem de programação
C.
Após transformar as imagens em tons de cinza são extraídos os cinco atributos das imagens
como média, variância, desvio padrão, gradiente e entropia [4] que a RNA utiliza-se para
classificar as regiões nas imagens como sendo urbanas e rurais. Na Figura 2. È apresentada a
imagem original e o resultado da classificação, os asteriscos indicam os pontos da imagem
classificados como urbana e os círculos indicam os pontos classificados como rural. Na
Figura 3. Apresenta-se outro exemplo de classificação.
Figura 2 (a) imagem original. (b) resultados da aplicação da RNA para classificação das regiões
urbanas e rurais.
132
Figura 3 (a) imagem original. (b) resultados da aplicação da RNA para classificação das regiões
urbanas e rurais.
Outros testes foram feitos considerando oito imagens aéreas para classificação de regiões
rurais e urbanas, utilizando a RNA. As Tabelas 1 e 2 apresentam os resultados referentes,
respectivamente, à classificação rural e urbana. As tabelas também apresentam a porcentagem
de acerto em cada caso.
Tabela 1. Resultado com imagens classificadas em áreas rurais.
Imagem
Total Rural
% de acerto
1
76
89,47
2
38
94,74
3
65
81,54
4
55
72,73
5
78
78,21
6
88
84,09
7
82
75,61
8
84
70,24
Tabela 2. Resultado com imagens classificadas em áreas urbanas.
Imagem
Total Urbana
% de acerto
1
224
95,54
2
127
93,70
3
235
94,89
4
245
92,65
5
222
97,75
6
212
96,23
7
218
92,66
8
216
94,91
133
Conclusão
Observa-se que o uso da Rede Perceptron de Múltiplas Camadas com os cinco atributos das
imagens é promissor. A RNA classificou corretamente em média 94,79% das áreas urbanas e
em média 80,83% das áreas rurais. No entanto, ressalta-se que o trabalho ainda está em
desenvolvimento e outras imagens serão testadas. Em trabalhos futuros serão classificados
outros padrões. Além disso, pretende-se utilizar algoritmos genéticos para seleção dos
atributos mais adequados para a classificação de padrões presentes nas imagens aéreas.
Agradecimentos
Ao CNPq, ao Projeto PITER, a Divisão de Geointeligência e ao IEAv – Instituto de Estudos
avançados.
Referências
[1] KANDHALU, A.; ROWE, A.; RAJKUMAR, R.; CHINGCHUN HUANG; CHAOCHUN
YEH. Real-Time Video Surveillance over IEEE 802.11 Mesh Networks. In: 15TH IEEE
REAL-TIME AND EMBEDDED TECHNOLOGY AND APPLICATIONS SYMPOSIUM,
4., 2009, San Francisco. Proceedings… San Francisco: Canada, 2009. p. 205-214.
[2] KIM, S.; ROH, C.; KANG, S.; PARK, M. Outdoor Navigation of Mobile Robot Using
Diferential GPS and Curb Detection. In: IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON
ROBOTICS AND AUTOMATION, 4., 2007, Roma. Proceedings… Roma: Italy, 2007. p.
3414-3419.
[3] SANTOS, J, C.; OLIVEIRA, J, R, F.; DUTRA, L, V.; SANT’ANNA, S, J, S.; RENNÓ, C,
D. Seleção de atributos usando algoritmos genéticos para classificação de regiões. In: XIII
SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 4., 2007, Florianópolis.
Proceedings... Florianópolis: Santa Catarina, 2007. p. 6143-6150.
[4] PERELMUTER, G.; CARRERA, E.V.; VELLASCO, M.; PACHECO, M.A.
Reconhecimento de Imagens Bidimensionais Utilizando Redes Neurais Artificiais. In: VIII
SIMPÓSIO BRASILEIRO DE COMPUTAÇÃO GRÁFICA E PROCESSAMENTO DE
IMAGENS, 8., 1995, São Carlos. Proceedings... São Carlos: São Paulo, 1995. p. 197-204
[5] MARQUES FILHO, O.; VIEIRA NETO, H. Processamento Digital de Imagens. 1.ed.
Rio de Janeiro:Brasport, 1999. 331p.
[6] HABERMANN, M.; SCARPEL, R. A.; SHIGUEMORI, E. H. Pré-processamento de
imagens aéreas aplicado à navegação autônoma. In: SIMPÓSIO DE APLICAÇÕES
OPERACIONAIS EM ÁREA DE DEFESA, 12., 2010, São José dos Campos. Proceedings...
São José dos Campos: São Paulo, 2010. p. 235-239.
Art.24
134
USO DO DESCRITOR ORB PARA LOCALIZAÇÃO DE OBJETOS
MÓVEIS EM IMAGENS OBTIDAS POR VANT
1
R. A. Rebouças1 2 *; M. Habermann1; R. A. Pena1 2; E. H. Shiguemori1
2
Universidade Paulista – UNIP, São José dos Campos – SP
*[email protected]
Palavras-chave: processamento de imagens, visão computacional, RANSAC, morfologia
matemática.
Introdução
O uso de imagens e vídeos obtidos por Veículos Aéreos Não Tripulados – VANT tem
propiciado uma gama de pesquisas em Sensoriamento Remoto nas áreas de visão
computacional e processamento de imagens [1]. Os VANTs podem ser utilizados para
aplicações civis [2], por exemplo, na agricultura [3], no monitoramento de grandes áreas
geográficas, na identificação de automóveis, pessoas ou animais, ou militares, para
identificação de tropas e embarcações com aplicações nas áreas de vigilância e segurança
territorial [4]. Para essas aplicações do VANT observa-se a necessidade de desenvolvimentos
de métodos para processamento de imagens em tempo real.
Neste trabalho aborda-se o problema de localização de objetos móveis em imagens obtidas
por um VANT. Existem diferentes técnicas e métodos para tratar esse tipo de problema, como
as apresentadas em [5], [6], [7] e [8]. Neste estudo são aplicadas técnicas que fazem uso do
descritor ORB (Oriented FAST and Rotated BRIEF) [9], do método RANSAC (RANdom
SAmple Consensus) [10] e de operações morfológicas, tendo como objetivo a extração
automática de informações para o monitoramento de grandes áreas, com a localização de
objetos em movimento.
Metodologia
É utilizada uma videografia realizada por um VANT Multirrotor do tipo Hexa (Figura 1), para
a aquisição das imagens.
Figura 1. Imagem de um Multirrotor do tipo Hexa.
Na Figura 2 é ilustrado o fluxograma da metodologia. O primeiro passo consiste na captura de
duas imagens consecutivas nos tempos e
, através de uma camera FPV (First Person
View), que faz a recepção da videografia para uma estação de solo. Em seguida a técnica ORB
[9] é aplicada nas duas imagens, para detectar e descrever os pontos de interesse. Com os
descritores dos pontos estimados, é feito o casamento entre os pontos da imagem obtida no
135
instante e da imagem do instante
utilizando a distancia de Hamming [11]. Em
seguida faz-se uso do método de RANSAC [10] para estimar o deslocamento da câmera do
VANT. Finaliza-se com operações morfológicas para localização de objetos móveis.
Figura 2. Metodologia proposta.
No estudo, por utilizar imagens de VANT, ou seja, aéreas, faz-se necessário compensar a
movimentação da câmera. Para isso, faz uso do descritor binário ORB [9] para encontrar e
descrever os pontos de interesse, pois, comparado com outros descritores, demonstra um
custo computacional menor [12] e pode ser aplicado em tempo real [13].
O ORB [9] é uma técnica para extrair e descrever pontos de interesse. Ele é baseado no
detector FAST [14], que possui um calculo rápido, para encontrar os Pontos de Interesse e no
descritor BRIEF [15] para encontrar as características dos pontos, para formar os descritores.
Para fazer a correspondência entre os pontos de interesse nas imagens nos tempos e
,
para cada descritor local binário do ponto encontra o descritor mais próximo, utilizando a
distancia de Hamming, que calcula a quantidade de posições que os descritores binários
diferem entre si, como é apresentado na Figura 3, sendo as linhas a correspondência dos
pontos casados.
Figura 3. Correspondência entre as imagens.
136
Em seguida, usa-se o método de RANSAC [10] para encontrar a transformação geométrica
afim de cada uma das imagens com as coordenadas dos vetores dos descritores casados entre
os tempos e
. Com as coordenadas que o RANSAC [10] encontra, pode-se obter a
informação de deslocamento no tempo t para o tempo t + 1. Como é mostrada na Figura 4
com a transformação geométrica afim da imagem desenhada na imagem
.
Figura 4. Correspondência entre as imagens e a transformação geométrica afim com o
RANSAC.
Por se tratar de uma imagem aérea obtida por um VANT, a imagem pode ter alteração de
escala, rotação, cisalhamento e translação. Para compensar estas possíveis distorções,
primeiramente é aplicada a transformação geométrica afim adquirida pelo RANSAC [10] na
imagem no tempo , e em seguida é feito o casamento desta imagem com a imagem no tempo
para verificar se a transformação geométrica afim foi feita corretamente, como é
mostrada na Figura 5.
Figura 5. Correspondência entre as imagens após a transformação geométrica afim na imagem
e a perspectiva com o RANSAC na imagem
.
Como mostrado na Figura 5, as imagens processadas não apresentam diferença de escala,
rotação e cisalhamento, apenas translação. A fim de compensar a movimentação da câmera, e
corrigir a diferença de translação, é feito um corte em ambas as imagens nos tempos e
, como ilustrado na Figura 6.
137
Figura 6. Corte entre as imagens nos tempos t e t + ∆t.
Por fim, a imagem no tempo
é subtraída pela imagem no tempo , como mostrado na
Figura 7.a, porém as imagens obtidas da videografia podem sofrer degradações, devido à
movimentação da câmera, que podem ser observados por borrões e distorções na imagem.
Esses ruídos podem ser classificados, erroneamente, como objetos móveis. Para resolver esse
problema na imagem subtraída (Figura 7.a) é aplicada uma limiarização (Figura 7.b) para
realçar a movimentação na imagem, e as seguintes operações morfológicas [16]: a erosão
(Figura 7.c), para remover os ruídos; e a dilatação (Figura 7.d), para destacar os objetos
móveis.
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 7. Subtração entre as imagens (a), imagem limiarizada (b), imagem aplicada erosão
(c) e imagem aplicada dilatação (d).
A Figura 8 apresenta os resultados da videografia com a localização dos objetos móveis, neste
caso, veículos. Onde a Figura 8.a é adicionado a imagem dilatada (Figura 7.d) na imagem
cortada (Figura 6).
138
(a)
(b)
(c)
(d)
Figura 8. Resultados do processamento de imagens obtidas pela Videografia.
Conclusões
Os resultados obtidos até o momento mostram que as abordagens com uso da técnica ORB,
para identificar e descrever os pontos de interesse, o método do RANSAC, para identificar o
deslocamento da câmera, e das operações morfológicas para remover os ruídos da imagem e
localizar os objetos móveis mostram-se promissoras para o problema proposto. Porém este
estudo ainda está em desenvolvimento e outras abordagens devem ser estudas a fim de
melhorar o sistema e obter mais informações sobre os objetos móveis.
Agradecimentos
Ao CNPq, através da bolsa de Iniciação Científica - PIBIC-IEAv e ao EMAER, através do
projeto PITER, no. V01050303.
Referências
[1] ALTUG, E.; OSTROWSKI, J.P.; TAYLOR, C.J. Control of a Quadrotor Helicopter using
Dual Camera Visual Feedback, The International Journal Of Robotics Research, Volume 24,
No. 5, p. 329-341, 2005.
[2] PING, J. T. K.; LING, A. E.; QUAN, T.J.; DAT, C. Y.; Generic unmanned aerial vehicle
(UAV) for civilian application-A feasibility assessment and market survey on civilian
application for aerial imaging. Sustainable Utilization and Development in Engineering and
Technology (STUDENT), IEEE Conference on, p. 289-294, 2012.
[3] MEDEIROS, F.A. Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado para aplicação em
agricultura de precisão. Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2007.
139
[4] NONAMI, K.; KENDOUL, F.; SUZUKI, S.; WANG, W.; NAKAZAWA, D. Unmanned
Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles. Autonomous Flying Robots, Ed. Springer, p. 3,
2010.
[5] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Identificação de objetos
móveis com uso de vídeos aéreos para aplicação de VANT. V Encontro de Usuários de
Sensoriamento Remoto das Forças Armadas, 2012.
[6] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Uso do Fluxo Óptico
para detecção de objetos móveis em imagens aéreas. XIV Simpósio de Aplicações
Operacionais em Áreas de Defesa, 2012
[7] REBOUÇAS, R. A.; SHIGUEMORI, E. H. Acompanhamento de objetos móveis em
imagens aéreas. I Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, 2012.
[8] REBOUÇAS, R. A.; HABERMANN, M.; SHIGUEMORI, E. H. Identificação de objetos
móveis com uso de imagens aéreas obtidas por VANT. XVI Simpósio Brasileiro de
Sensoriamento Remoto, 2013.
[9] RUBLEE, E.; RABAUD, V.; KONOLIGE K.; BRASKI, G. ORB: An efficient alternative
to SIFT or SURF. Computer Vision (ICCV), 2011 IEEE International Conference on, p.
2564-2571, 2011.
[10] FISCHLER, M. A.; BOLLES, R. C. Random sample consensus: a paradigm for model
fitting with applications to image analysis and automated cartography. Communications of the
ACM, v. 24, n. 6, p. 381-395, 1981.
[11] HAMMING, R. W.; Error Detecting and Error Correcting Codes, The Bell Systems
Technical Journal, v. 29, n. 2, p. 147-160, 1950.
[12] ZHEN PENG. Efﬁcient matching of robust features for embedded SLAM. Stuttgart,
2012. Computer Science, University of Stuttgart.
[13] XUEFENG XIE; HEFENG WU. ORB tracking via random model and sample
consensus. Image and Signal Processing (CISP), 2012 5th International Congress on, p. 113117, 2012.
[14] ROSTEN, E.; DRUMMOND, T. Machine learning for high-speed corner detection.
Computer Vision–ECCV 2006, p. 430–443, 2006.
[15] CALONDER, M.; LEPETIT, V.; STRECHA, C.; FUA, P. BRIEF: Binary Robust
Independent Elementary Features. Computer Vision–ECCV 2010, p. 778–792, 2010.
[16] BRADSKI, G.; KAEHLER, A. Learning OpenCV - Computer Vision with the OpenCV
Library. O’Reilly Media, 2008.
Art.25
140
FERRITA DE COBALTO BÁRIO PARA APLICAÇÃO EM
ECAPSULAMENTO DE SENSORES
G. P. Zanella1,2,*; A. C. C. Migliano1,2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-Chave: RADOME, Hexaferrita, Z-type, Permeabilidade Complexa, Permissividade
Complexa.
Introdução
O estudo das propriedades eletromagnéticas dos materiais nas faixas de radiofrequência (RF)
e de micro-ondas, apesar de ser um campo antigo da física, ainda hoje possui grande
importância acadêmica e tecnológica. As técnicas empregadas nas medidas dessas
propriedades, que podem ser macroscópicas ou microscópicas, são importantes nas pesquisas
de materiais, principalmente no desenvolvimento de compósitos e estruturas funcionais que
absorvam o espalhamento eletromagnético ou que promovam o isolamento térmico de
sensores e dispositivos sob alta temperatura, garantindo a integridade de suas propriedades
eletromagnéticas (RADAR Dome - RADOME) [1-3]. Dessa maneira, os objetivos desse
trabalho foram o de desenvolver uma ferrita do tipo Co2Z (Co2Ba3Fe24O41) e estudar as suas
propriedades eletromagnéticas intrínsecas à avaliação para encapsulamento de sensores.
Metodologia
Neste trabalho, foram sintetizadas ferritas hexagonais do tipo Z utilizando a reação do estado
sólido. As Fig. 1a e 1b simplificam o processo adotado para confecção das amostras. Os
óxidos dos elementos químicos foram pesados na proporção correta para obtenção da
estequiometria Co2Ba3Fe24O41. Após a pesagem, estes pós foram colocados em um almofariz
de ágata e moídos manualmente por uma hora.
(a)
(b)
Figura 1: Processo de fabricação (a) pré-sinterização (b) sinterização;
Após a pesagem, os óxidos foram moídos e misturados em moinho de bolas excêntrico
durante 1 hora. A pré-sinterização ocorreu por 4 horas a 1100 °C, com taxa de aquecimento
de 200 °C.h-1. Amostras para as diversas caracterizações foram compactadas a partir do pó
141
pré-sinterizado moído, por meio de prensagem uniaxial de 50 MPa. As amostras conformadas
foram sinterizadas com patamar de 1330 °C, seguindo a mesma taxa de aquecimento da présinterização, mas de acordo com a literatura, o aquecimento não pode ser direto para 1330 ºC,
então realizou-se um pré-aquecimento por 4 horas até o patamar de 1100 ºC, obedecendo a
taxa de aquecimento de 200 °C.h-1. Por fim, elevou-se a temperatura até 1330 ºC, onde esta
permaneceu por 6 horas.
Na análise microestrutural por difração de raios-x (DRX), uma amostra sinterizada foi
separada para avaliação da microestrutura formada durante a etapa de sinterização e
confirmação da formação da estrutura desejada. Realizaram-se imagens de microscopia
eletrônica de varredura (MEV) para observar a conformação dos grãos das estruturas
formadas. A caracterização eletromagnética, de três amostras sinterizadas, foi realizada
utilizando-se um analisador de redes vetorial modelo HP 8722ES, na faixa de 100 MHz a 10
GHz. As amostras foram analisadas em relação a sua permeabilidade e permissividade
complexas.
A Tabela 1 apresenta as densidades calculadas para as amostras produzidas. A densidade
relativa apresentou valor de 4,523 g.cm-3 e comparando com a densidade teórica a amostra
apresentou uma porosidade de 15,46%, tendo uma densificação de 84,54%.
Densidade Relativa
Tabela 1: Densificação das amostras de Co2Z;
Densidade Teórica
Densificação
Porosidade
4,523 g.cm-3
5,35 g.cm-3
84,54%
15,46%
A Fig. 2 mostra o resultado da DRX. Os picos encontrados de maior intensidade foram da
estrutura Co2Z desejada, porém picos secundários a direita do gráfico mostram a formação da
estrutura Co2W. As fases secundárias podem ser diminuídas e/ou eliminadas resinterizando a
amostra com o mesmo ciclo térmico de sinterização [4].
Figura 2: Difractograma de Raios-X da amostra de Co2Z;
As Fig. 3a e 3b apresentam imagens de microscopia eletrônica de varredura das amostras da
ferrita do tipo Z. É possível observar a heterogeneidade do tamanho dos grãos formados
durante a etapa de sinterização das amostras. Na Fig. 3b, verifica-se com maior nitidez a
formação dos grãos da estrutura Co2Z.
142
Figura 3: Microestrutura obtida através de microscopia eletrônica de varredura;
As Fig. 4a e 4b mostram, respectivamente, os valores de permeabilidade complexa e
permissividade complexa, dentro da faixa de 100 MHz a 10 GHz. A parte real da
permissividade (ε’) mantém o patamar em 38 durante praticamente toda a faixa de frequência.
E a parte imaginária da permissividade (ε’’) acompanha durante toda a faixa de frequência,
porém com o patamar próximo a zero. A permeabilidade complexa mostra um patamar até
800 MHz, acima desta frequência a parte real da permeabilidade (µ’) começa a decair. Desta
forma, este material pode ter sua aplicação em RADOME até 800 MHz.
Figura 4: (a) permeabilidade complexa, (b) permissividade complexa;
Conclusões
Difratograma de Raios X mostrou a dificuldade de se obter apenas a estrutura cristalina
desejada quando esta é muito complexa de ser formada e envolver outras estruturas em sua
composição. Esta informação foi corroborada com as análises de energia dispersiva por área e
microscopia eletrônica de varredura. As imagens de microscopia eletrônica de varredura
apresentaram regiões onde podem ser identificadas as formações da estrutura cristalina do
tipo Z, porém com um crescimento de grão desuniforme, com tamanhos irregulares. A ferrita
de Cobalto Bário apresentou propriedades elétricas muito interessantes e promissoras, onde
em uma faixa de frequência esta se manteve constante até aproximadamente 10 GHz e
mostrando perdas nulas. A permeabilidade apresentou um valor próximo a 5 para µ’ que se
manteve constante até 800 MHz e depois decai com o aumento da frequência. Este
decaimento do valor da parte real da permeabilidade com o aumento da frequência não é
favorável para atenuação da onda eletromagnética incidente. Em vista das propriedades
143
eletromagnéticas obtidas esta ferrita com composição Co2Ba3Fe24O41 pode ser utilizada como
encapsuladora de sensores até 800 MHz.
Agradecimentos
Ao IEAv pela infraestrutura disponibilizada para confecção das amostras; À agência de
fomento “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2; à agência de fomento
“CAPES/Pró Estratégia” pelo financiamento do projeto nº 26/2012; Ao Laboratório de Filmes
Finos do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, pela instalação do MEV (FAPESP
proc. #95/5651-0).
Referências
[1] CHEN, L. F. et al. Microwave electronics: measurement and materials characterization.
New York, NY: John Wiley & Sons, 2004.
[2] REITZ, J. R.; MILFORD, J. F.; CHRISTY, R. W. Fundamentos da teoria
eletromagnética. Tradução de R. B. Sander. 18ª reimpressão. ed. Rio de Janeiro: Elsevier,
1982.
[3] VON HIPPEL, A. R. (Ed.). Dielectric materials and applications. Cambridge, MA: The
MIT Press, 1966.
[4] ZHANG, H.; LONGTU, L.; ZHOU, J.; YUE, Z.; MA, Z.; GUI, Z. Microstructure
characterization and properties of chemically synthesized Co2Z hexaferrite. Journal of the
European Ceramic Society, 21, 2001.
Art.26
144
ANÁLISE DA TÉCNICA DE CANCELAMENTO PASSIVO EM
CILINDRO COM FENDA UTILIZANDO O MÉTODO FDTD
A. F. N. Boss1*; R. G. A. de Lima1; A. C. C. Migliano1,2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Ciências e Tecnologias Espaciais/Sensores e
Atuadores Espaciais, São José dos Campos - SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: Radar Cross Section – RCS; Finite Difference Time Domain – FDTD;
redução de RCS.
Introdução
A Seção Reta Radar (Radar Cross Section – RCS) é a medida da intensidade de uma onda
refletida por um objeto, sendo possível identificar suas características como tamanho, perfil e
orientação. Apesar da possibilidade de uso civil desta tecnologia, a mesma é comumente
utilizada na área militar para identificação de veículos. Consequentemente, há um grande
interesse em reduzir a RCS destes veículos, adequando-os para operações de reconhecimento
de área e identificações de alvos. Dentre as técnicas de redução de RCS encontra-se a de
cancelamento passivo, onde uma onda refletida é cancelada com uma onda secundária [1-2].
A RCS pode ser calculada analiticamente ou por meio de métodos numéricos. Dentre os
diversos métodos existentes para simulação de fenômenos eletromagnéticos e análise de RCS,
há o método de diferenças finitas no domínio do tempo (Finite Difference Time Domain –
FDTD). Este método trabalha no domínio do tempo, tornando possível a analise de resultados
em função do tempo e, aplicando a transformada de Fourier, em função da frequência [3].
O objetivo deste trabalho foi avaliar a técnica de cancelamento passivo por meio de ensaios
experimentais e simulações com o método FDTD. Carregamentos centrais com diferentes
propriedades dielétricas de materiais foram avaliados por meio de simulação, a fim de
parametrizar as frequências em que ocorrem as reduções da RCS. Um cilindro com fenda
dupla também foi investigado.
Metodologia
Para realizar o ensaio experimental, foi projetado e confeccionado um cilindro de latão com
um condutor interno e dois condutores externos possibilitando a formação de uma fenda. As
dimensões utilizadas são descritas na Figura 1.
Figura 1. Vista explodida do cilindro metálico confeccionado.
Os diâmetros no interior do cilindro (3 e 7 mm) foram baseados nas ferritas que são
confeccionadas no Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos. Com isto, é possível medir os
materiais utilizados como carregamento central (ou carga) em um analisador de impedância.
Esta carga é posicionada no centro do cilindro, onde é identificada através da fenda.
145
A Figura 2 apresenta a curva de permissividade do Teflon, utilizado como carga no ensaio
experimental. Este material apresenta valores médios de permissividade real e imaginária de,
respectivamente, 2,00 ± 0,01 e 0,00 ± 0,01 entre 0,8 e 4 GHz.
Figura 2. Valores experimentais obtidos para a permissividade relativa do Teflon.
O ensaio experimental é baseado em um radar mono estático, ou seja, a mesma antena que
emite o sinal captura a onda espalhada. Para isto, uma antena corneta banda larga é fixada
dentro de uma câmara anecóica. Esta antena é ligada em um analisador de redes, localizado
no lado externo da câmara, por meio de um cabo com conectores de 2,4 mm. Para reduzir
ruídos causados pelo cabo, é feita uma calibração do analisador de redes com o cabo
conectado antes de ser ligado na antena. A frequência da calibração, assim como de todo o
ensaio, é de 0,8 à 4 GHz. Para uma maior resolução do espectro de espalhamento, a calibração
e as medidas são feitas com 16001 pontos. Com as portas da câmara fechadas, é realizada
uma medida de ruído de fundo, que é subtraída das medidas futuras feitas com o cilindro.
As medidas são feitas com o cilindro posicionado a, aproximadamente, 15 cm de distância da
antena. Essa distância, calculada com base na literatura [1], garante uma medida com o
mesmo padrão de reflexão até 2,2 GHz, aproximadamente. Através do esquema da Figura 3 é
mais fácil entender o posicionamento de cada equipamento.
Figura 3. Esquema do posicionamento dos equipamentos para realização do ensaio
experimental.
Os parâmetros escolhidos para as simulações são apresentados na Figura 4. Uma onda plana
gaussiana incide em no cilindro configurado com um material condutor elétrico perfeito
(Perfect Electric Conductor – PEC). Para calcular a RCS em função da frequência, um sensor
de campo distante é posicionado no mesmo local da onda incidente e, para calcular a RCS em
146
função do ângulo, são posicionados vários sensores ao redor do cilindro, que avaliam a RCS
em função do ângulo na frequência de 1 GHz. Uma camada perfeitamente casada (Perfect
Matched Layer – PML) com 7 células se mostrou eficaz para redução de reflexões
indesejadas causadas pelo término do espaço finito definido. O tamanho de célula utilizado
em todo o espaço finito foi de 0,5 mm.
Figura 4. Parâmetros escolhidos para as simulações.
Os resultados experimentais e simulados são exibidos a seguir. A Figura 5 é a comparação
entre a RCS de um cilindro comum (sem fenda) com os resultados experimental e simulado
de um cilindro com fenda de 1 mm, utilizando os valores medidos do Teflon como carga.
Figura 5. Comparação entre resultado da RCS de um cilindro metálico comum com resultados
experimental e simulado de um cilindro com fenda de 1 mm e carga de Teflon.
O ponto máximo de absorção experimental foi de -57,54 dB em 1,022 GHz e o da simulação
foi de -71,47 dBm² em 1,014 GHz. No resultado experimental há uma pequena oscilação
entre 1,5 e 1,6 GHz devido à folga entre o condutor externo e a carga na região da fenda, que
147
causa um desalinhamento entre a parte superior e inferior do cilindro com fenda. Já a
oscilação entre 1,7 GHz e 2,0 GHz é devido a um ruído da câmara anecóica que, apesar de ter
sido reduzido, ainda aparece nas medidas. A Figura 6 é uma comparação entre a RCS
tridimensional de um cilindro comum e a RCS de um cilindro com fenda de 1 mm e carga de
Teflon, ambos avaliados em 1 GHz.
(a)
(b)
Figura 6. RCS tridimensional de (a) um cilindro comum e um (b) cilindro com fenda de 1 mm
e carga de Teflon.
A folga entre o condutor externo e a carga causa um desalinhamento entre os condutores
externos, além de uma imprecisão na medida do tamanho da fenda. Isto pode ser visualizado
através da Figura 7, que é uma análise da fenda em um projetor de perfil.
Figura 7. Análise do cilindro com fenda de 1 mm no projeto de perfil.
Dois fatores são cruciais para determinar a frequência de redução da RCS do cilindro: o
tamanho da fenda e a permissividade real (ε’) do material. Sendo assim, foram simulados
materiais dielétricos fictícios, com valores de ε’ entre 1 e 6, e diferentes tamanhos de fenda. A
partir destas simulações, foram anotados os pontos de maior absorção e criado o gráfico da
Figura 8. O gráfico relaciona o tamanho da fenda com a frequência de absorção e
possui 6 linhas, referentes a cada valor de permissividade real.
148
Figura 8. Gráfico do tamanho de fenda em função da freqüência de redução da RCS para
materiais com valores de permissividade real entre 1 e 6.
A linha ligando os pontos para cada permissividade real é referente ao cálculo do polinômio
de terceira ordem. Através da equação (1) é possível calcular, aproximadamente, o tamanho
de fenda necessário para obter a redução da RCS em uma determinada frequência desejada
(1)
.
Os valores de a, b, c e d da equação acima são dados na Tabela 1, que possui valores
diferentes para cada valor de ε’.
ε’ = 1
31,92
-37,62
-9,60
16,58
Tabela 1. Valores das constantes para a equação (1).
ε’ = 2
ε’ = 3
ε’ = 4
ε’ = 5
24,72
11,32
163,11
229,04
-43,74
-10,10
-452,03
-664,69
12,53
-17,67
407,52
632,46
7,41
17,85
-116,59
-193,92
ε’ = 6
309,32
-928,98
919,16
-295,72
Um cilindro com duas fendas, Figura 9, também foi simulado. Este cilindro possui um anel
metálico posicionado no meio da fenda, formando assim duas fendas secundárias.
Figura 9. Projeto do cilindro com fenda dupla.
A Figura 10 é a RCS deste cilindro, utilizando fendas secundárias de 1 mm distanciadas por
um anel de tamanho entre 1 e 7 mm, com carregamento central de Teflon. Nota-se que, na
medida em que as fendas secundárias se distanciam, a freqüência onde ocorre a maior redução
da RCS aumenta. É possível observar que, para conseguir uma redução de RCS em 1,3 GHz,
seria necessário um cilindro com fenda simples de aproximadamente 5,3 mm, ou um cilindro
com duas fendas secundárias de 1 mm separadas por 7 mm.
149
Figura 10. RCS do cilindro com fendas secundárias igual a 1 mm separadas por uma distância
de 1 a 7 mm.
Conclusões
Uma das vantagens de se trabalhar com o método FDTD é a possibilidade de avaliação de
uma ampla faixa de frequência em apenas uma simulação, o que facilita a observação de onde
ocorre a redução do sinal em função da frequência.
Um dos parâmetros que altera a frequência de redução da RCS é o tamanho da fenda. Quanto
maior a fenda do cilindro, maior é a frequência em que a redução da RCS ocorre. Para o
cilindro com fendas duplas, a ocorrência da redução da RCS em função da frequência
aumenta na medida em que as fendas se distanciam uma da outra. Observou-se que, um
cilindro com duas fendas de 1 mm separadas por 7 mm, age em uma frequência próxima a um
cilindro com uma única fenda de 5,3 mm. Também foi possível verificar que como a
permissividade real da carga influência na frequência de redução. Quanto maior a
permissividade real do material, menor é a frequência onde ocorre a redução da RCS.
Utilizando os parâmetros adequados nas simulações foi possível obter resultados confiáveis,
que corroboraram com os dados experimentais.
Agradecimentos
Agradecemos à “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2, à “CAPES/Pró
Estratégia” pelo financiamento do projeto 050/2012 e à “CAPES” pela bolsa de estudo
Referências
[1] FILHO, O. M. B. Redução de seção reta radar (RCS) em estruturas cilíndricas finas e
moderadas utilizando carregamento central com impedância concentrada. 2003. 221 f.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Eletrônica e Computação) - Instituto Tecnológico de
Aeronáutica, São José dos Campos.
[2] JENN, D. C. Radar and laser cross section engineering. 2 ed. Reston, Virginia:
American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005. 505 p.
[3] KUNZ, K. S.; LUEBBERS, R. J. The finite difference time domains method for
electromagnetics. Boca Raton: CRC Press, 1993. 464 p.
Art.27
150
ESTUDOS PRELIMINARES SOBRE AVALIAÇÃO DOS EFEITOS DA
RADIAÇÃO IONIZANTE EM SISTEMAS EMBARCADOS EM
AERONAVES
A. C. M. Prado2*; F. H. Oliveira1; O. L. Gonçalez2; C. A. Federico2
1
ETEP Faculdades – ETEP, São José dos Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: Aviônicos; “Single Event Effects”; “Single Event Upset”
Introdução
O ambiente de radiação ionizante aeronáutico é caracterizado pela radiação cósmica que é
composta por diversos tipos de partículas e ondas de alta energia oriundas do espaço e que
atingem a Terra. Parte destas partículas é defletida pelo campo magnético enquanto a outra
parte atravessa o mesmo. Quando isto ocorre as partículas primárias da radiação cósmica
interagem com os átomos da atmosfera formando chuveiros secundários de radiação que
impactam a Terra, principalmente a troposfera e a baixa estratosfera.
Devido ao fato de estarem inseridos neste ambiente de radiação ionizante os equipamentos
eletrônicos embarcados em aeronaves são susceptíveis ao fenômeno conhecido como “Single
Event Effects” (SEE) produzidos por nêutrons. Estes efeitos acontecem principalmente nos
computadores de bordo de aeronaves podendo comprometer a segurança de voo [1; 2; 3] e
devido a crescente miniaturização destes componentes, indo da escala de micro para
nanômetros, tem se observado um aumento significativo na susceptibilidades aos efeitos da
radiação ionizante.
A taxa esperada de SEE do dispositivo depende da seção de choque do mesmo, que pode ser
obtida em bibliotecas de dados oriundos de testes realizados previamente em dispositivos
semelhantes ou ser obtida através de teste no dispositivo de interesse. A realização de ensaios
para SEE em dispositivos aviônicos envolve análises especificas que determinam o tipo de
campo de radiação para teste, o tipo de hardware a ser utilizado para o mesmo e o tipo de
ensaio.
O fenômeno SEE ocorre devido ao deposito de cargas geradas por partículas atômicas em
dispositivos, ocasionando falhas e mau funcionamento do mesmo. A medida da
susceptibilidade de um dispositivo à este tipo de efeito é avaliada por meio de um parâmetro
denominado “Seção de choque SEE”. A seção de choque SEE do dispositivo é a medida da
área sensível do mesmo, dada em número de falhas por unidade de fluência de radiação
incidente.
Os eventos SEE mais significativos para aviônicos em altitudes de voo são Single Event
Effect (SEU), Multiple Bit Upset (MBU) e Single Event Functional Interrupt (SEFI), porém
classificar os eventos mais significativos para aviônicos é difícil porque esta classificação
pode mudar durante o tempo, já que os dispositivos sofrem alterações tecnológicas e a
interferência da radiação pode ser diferente com dispositivos antigos ou novos. O principal
efeito SEE que ocorre nestes equipamentos é conhecido como “Single Event Upset” (SEU)
[4].
Para atendimento aos princípios de segurança de voo, é necessário avaliar os dispositivos
microeletrônicos embarcados quanto à sua susceptibilidade à falhas por SEE, SEU entre
outros eventos induzidos pela interação da radiação atmosférica, de forma a garantir que
sistemas críticos não estão sujeitos a sofrer falhas graves devido à este fenômeno.
151
O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo prospectivo do estado da arte e dos
controles, metodologias de teste e requisitos de engenharia quanto aos efeitos e a tolerância à
radiação cósmica de sistemas eletrônicos e opto-eletrônicos aplicados em aviônicos.
Metodologia
Utilizando a técnica da análise de perigos funcionais (“Functional Hazard Analysis” - FHA)
[5] o sistema é avaliado em relação aos perigos potenciais que poderiam afetar a segurança da
aeronave, classificando os riscos exigidos para cada função em níveis de risco A, B, C, D e E,
tais riscos são descritos de acordo com a gravidade do evento. O FHA envolve análises
contidas em outros sistemas de avaliação de segurança como o PSSA (do termo em inglês
“Preliminary System Safety Assessment”) e o SSA (do termo em inglês “System Safety
Assessment”). A Figura 1 apresenta o organograma do processo de engenharia envolvido na
classificação de riscos e análises de segurança para projetos de sistemas.
Figura 1 - Organograma das fases e processos envolvidos na avaliação de segurança de um
sistema.
Com a avaliação do FHA os efeitos SEE não seriam considerados explicitamente, pois nessa
etapa não são avaliadas as origens das falhas funcionais, mas sim a gravidade das suas
potenciais consequências. Ou seja, a avaliação FHA é mais preliminar e não envolve as
possíveis falhas devido a SEE. Na avaliação PSSA os efeitos oriundos da interação da
radiação ionizante são considerados no sistema uma vez que os mesmos podem induzir
modos de falha. Na avaliação PSSA os efeitos SEE são separados entre falhas graves ou leves
e separadas devido à fase de voo, uma vez que durante o cruzeiro a probabilidade de SEE é
maior do que durante a decolagem e pouso (devido à maior altitude e, consequentemente,
maior incidência da radiação). A Figura 2 apresenta o processo da fase PSSA que inclui os
efeitos de evento único.
152
Figura 2 - Descrição da fase de projeto PSSA.
Para a avaliação de dispositivos aviônicos, o fluxo integrado de nêutrons em altitudes de
aeronaves, obtido por meio da integração do fluxo diferencial para energias superiores a 10
MeV, é de aproximadamente 5600 n/cm² por hora, sendo que utiliza-se arredondar esse valor
para 6000 n/cm² por hora a 12,2 km de altitude (40000 pés) e a 45° de latitude, dados estes,
típicos de envelope de voo de aeronaves comerciais [5]. A variação do fluxo de nêutrons com
a altitude é demonstrada a partir dos modelos simplificados da Boeing e da NASA. A
Figura Erro! Fonte de referência não encontrada.3 apresenta o espectro de nêutrons a uma
altitude de cerca de 40000 pés (12,2 km).
Figura 3 - Espectro de Energia de nêutrons atmosféricos a 40 000 pés (12.160 m), latitude 45
graus. (adaptado de IEC/TS 62396, 2006).
Existem poucas instalações capazes de realizar testes de tolerância à radiação em dispositivos
153
aviônicos e que detém o conhecimento para aplicação e utilização de feixes de prótons ou
nêutrons para tal finalidade, no mundo. A Figura 4 apresenta o Mapa Mundi com a
visualização da localização das instalações de nêutrons identificadas durante a pesquisa.
Dentre estas, as mais convenientes e aceitas para testes de sistemas aviônicos são a ICE
House (EUA) e TRIUMF (Canadá), devido à similaridade do campo produzido em relação ao
campo existente em altitudes de voo de aeronaves.
Figura 4 – Mapa Mundi com a localização das instalações de nêutrons.
Com o objetivo de estudar a metodologia para teste de SEE produzidos por nêutrons em
aviônicos, uma memória comercial SRAM de 4 Mbits de tecnologia 130 nm foi submetida a
teste com um fluxo de nêutrons de rápidos estimado em 1,778x10³ n/cm²·s, oriundo de um
conjunto de fontes de nêutrons de 241Am-Be. A memória utilizada é de uso geral em
equipamentos eletrônicos não sendo, portanto, especifica para aviônicos, porém o teste visa
demonstrar uma metodologia para estimar a taxa SEE devido a nêutrons atmosféricos na
microeletrônica aviônica, baseada em ensaios laboratoriais.
Dispositivos de mesma tecnologia, porém atendendo a especificações para uso em aviônicos,
podem ser submetidos aos mesmos testes de radiação já desenvolvidos no Laboratório de
Radiação Ionizante (LRI) no IEAv para uso espacial, com os devidos ajustes na montagem do
dispositivo de teste (DUT). Para testes em aviônicos deve-se estabelecer um critério para
estrapolação da faixa de energia do teste para a faixa de energia de interesse para atender os
requisitos estabelecidos em norma da IEC.
A plataforma de teste foi construída no IEAv [6] e consiste em montar o dispositivo de
interesse em uma placa filha, que por sua vez, está conectada a placa mãe, que é controlada
por um processador de sinal digital tipo “Blackfin”. Este processador tem a função de efetuar
a leitura, escrita e controle da memória que está sob irradiação. Os dados são adquiridos por
meio de um software dedicado rodando em um computador externo ligado à placa mãe via
TCP/IP para o controle remoto do experimento.
O objetivo do teste é verificar a ocorrência de bit flips, que é a mudança do registro lógico da
memória. Periodicamente a leitura dos valores foi realizada e a cada ciclo de leitura os
endereços que apresentam alguma mudança de bit (bit flip) são armazenados em um arquivo
de registro [6]. A Figura 5 apresenta o arranjo do experimento.
154
Figura 5 – Arranjo do experimento
A propagação de nêutrons no arranjo foi simulada utilizando-se o método de Monte Carlo, por
meio do código MCNP5. A Figura 6 apresenta o modelamento computacional do arranjo do
experimento e o espectro simulado no local do dispositivo sob teste (DUT), onde se pode
observar a presença de nêutrons com energias maiores do que 1x104 MeV (nêutrons rápidos)
e a inexistência de nêutrons térmicos.
Taxa de fluência (n/cm2s)
10
1
0.1
0.01
1E-3
1E-5
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
Energia (MeV)
Figura 6 – Modelamento computacional (à esquerda) e espectro de energia dos nêutrons
incidentes no DUT (à direita).
Os resultados do teste são apresentados na Tabela 1. A seção de choque do dispositivo foi
calculada a partir da equação 1, onde n é o número de bit flip e  é a fluência total de nêutrons
(nêutrons/cm²), que foi calculada pelo produto do fluxo de nêutrons pelo tempo de irradiação.
Os erros indicados na seção de choque são somente de natureza estatística considerando-se
uma distribuição de Poisson, onde a incerteza é igual a raiz quadrada do número de eventos
contados. O valor final da seção de choque foi calculado a partir da média ponderada pelo
inverso do quadrado dos erros das seis séries de medidas

n

1
Tabela 1. Resultados dos testes obtidos em uma memória SRAM
Seção de choque e incerteza
Tempo de Irradiação (s)
Quantidade de bit flip
estatística
x10-09 cm²
889254
61
38,6 ± 4,9
621081
59
53,4 ± 6,9
155
Tempo de Irradiação (s)
Quantidade de bit flip
514974
94314
163754
652062
32
11
7
87
Seção de choque e incerteza
estatística
x10-09 cm²
Média
34,9 ± 6,1
65,6 ± 1,9
24,0 ± 9,1
75,0 ± 8,1
44,2 ± 1,5
Partindo da seção de choque obtida no teste, pode-se estimar a taxa esperada de SEE
multiplicando o fluxo de nêutrons atmosféricos em altitude de voo dado em n/cm²·h pela
seção de choque de SEE do dispositivo dada em cm²/dispositivo, resultando em
2,65x10-4 n/dispositivo·hora, ou ainda, 26,5 eventos de SEE em toda a vida de uma suposta
aeronave onde esta memória seja utilizada. Este teste possui caráter didático e acadêmico,
pois não atende os requisitos de testes definidos em norma devido ao espectro de nêutrons no
arranjo utilizado estender-se por faixas de energias que não são de interesse para aplicação
aeronáutica (especial interesse em energias maiores do que 10 MeV) e ainda pelo fato de que
o espectro ainda está sendo caracterizado no presente momento.
Conclusões
Este trabalho permitiu o estudo da metodologia para se efetuar testes de SEE voltados para a
avaliação de circuitos aviônicos, metodologia esta que será aperfeiçoada e testada utilizandose outras fontes de radiação com diferentes energias e fluências, em outras instalações. Foram
identificadas as principais normas e publicações na área e ressalta-se a crescente importância
que este assunto tem recebido na área de segurança de voo civil e militar, assunto de grande
interesse para grupos no Brasil.
Agradecimentos
Ao CNPQ pela bolsa PIBIC, ao IEAv pela oportunidade e conhecimento.
Referências
[1] DYER, C. Space Weather Effects on Spacecraft and Aircraft. In: SPACE WEATHER
WORKSHOP: LOOKJING TOWARDS A EUROPEAN SPACE WEATHER
PROGRAMME, DECEMBER 17-19, 2001, Noordwijk, Holand. Proceedings. Holand: 2001
[2] NORMAND, E. Single Event Effects in Avionics and on the ground. Int. J. High Speed
Elect. Syst., v.14, n. 2, pp. 285 – 298, 2004.
[3] VUKOVI’C, B., et al. Measurements of Neutron Radiation in Aircraft. Applied
Radiation and Isotopes, v. 68, pp. 2398 – 2402, 2010.
[4] SANNIKOV, A. V. Single Event Upsets in Semiconductor Devices Induced by Highly
Ionising Particle. Radiation Protection Dosimetry, v. 110, n. 1-4, pp. 399 – 403, 2004.
[5] IEC, INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION – TECHNICAL
SPECIFICATION. Process Management for avionics: Atmospheric Radiation Effects,
IEC/TS 62396. Switzerland, 2006.
[6] GONÇALEZ, O.L., et al. Qualification of Electronic components with respect to the
cosmic radiation tolerance for space applications. Anais Workshop Anual Sobre os Efeitos
das Radiações Ionizantes em Componentes Eletrônicos e Fotônicos de Uso Aeroespacial,
São José dos Campos, SP, v. 1, p. 51 – 56, 2012.
Art.28
156
SISTEMAS CERÂMICOS FERROELÉTRICOS ISENTOS DE CHUMBO
KSN – CuO: MICROESTRUTURA, PROPRIEDADES ÓPTICAS E
APLICAÇÃO
D. C. Vieira1; J. A. S. Medeiros1; A. C. C. Migliano2; S. A. Lourenço1
Universidade Tecnológica Federal do Paraná - Departamento de Engenharia de Materiais,
Londrina – PR
2
Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: nanoestruturas, sinterização fase líquida reativa, espectroscopia UV-vis,
cerâmicas TTB
Introdução
Diversas pesquisas são desenvolvidas com materiais ferroelétricos e essas pesquisas são
motivadas em função das propriedades relevantes desses materiais, por exemplo,
piezeletricidade, piroeletricidade, propriedades ópticas [1, 2, 3]. Sistemas a base do óxido
zirconato titanato de chumbo (PZT) são os materiais cerâmicos piezelétricos comerciais mais
utilizados, pois apresentam excelentes propriedades [1]. A única desvantagem desses
materiais é o alto grau de toxidade (compostos a base de chumbo), isso justifica a medida
adotada em 2003 pela União Europeia que incluiu em sua legislação restrições ao uso dos
sistemas PZT, os quais deverão ser substituídos por materiais isentos de chumbo. Esta diretriz
deve ser seguida por todos os países, pois as leis ambientais atuais deverão seguir as mesmas
metas imposta pela União Europeia. Assim, desde a década de 70 há um crescimento
exponencial no desenvolvimento de novos materiais ferroelétricos isentos de chumbo em
função dessas exigências das leis ambientais por materiais mais seguros [2, 3, 4, 5]. Os óxidos
ferroelétricos isentos de chumbo pertencentes ao grupo de família com estrutura tetragonal
tungstênio bronze (TTB) são bastante investigados nos dias de hoje, pois estrutura TTB
permitem a inserção de diversos íons na rede cristalina sem ocorrer a perda de
ferroeletricidade, portanto materiais ferroelétricos clássicos ou do tipo relaxor podem ser
desenvolvidos a partir desse tipo de estrutura devido à natureza aberta dessa estrutura [4, 5].
Ainda, é considerada uma estrutura ideal para fabricação de materiais multiferróicos, ou seja,
aqueles materiais que apresentam ferroeletricidade e ferromagnetismo simultaneamente [6].
O óxido niobato de estrôncio e potássio (KSr2Nb5O15), denominado KSN, é um material
ferroelétrico com estrutura TTB e a literatura reporta que esse óxido apresenta baixa
sinterabilidade por metodologia convencional de fabricação de materiais cerâmicos [7].
Assim, o escopo desta pesquisa consiste no desenvolvimento de materiais cerâmicos
ferroelétricos isentos de chumbo fabricados a partir da matriz do óxido KSN modificados com
óxido de cobre II, ou seja, obtenção de materiais alternativos aos materiais ferroelétricos
comerciais denominados PZT. Os materiais cerâmicos ferroelétricos investigados nesta
pesquisa foram obtidos por sinterização convencional (mistura de óxidos) e para obtenção de
materiais com densidade alta, o princípio de sinterização fase líquida reativa foi explorado.
O objetivo deste trabalho consistiu na investigação das propriedades ópticas dos sistemas
cerâmicos KSN – CuO e buscou-se correlacionar os resultados de propriedade ópticas com os
resultados microestruturais MEV, MO e AFM desses sistemas cerâmicos ferroelétricos.
157
Metodologia
De uma forma sucinta o processo de fabricação dos materiais cerâmicos pode ser descrito da
seguinte forma: os pós foram pesados de acordo com estequiometria do óxido KSN e moídos
em um moinho de alta energia do tipo atritor. A calcinação da fase KSN foi realizada em duas
etapas: aquecimento desde a temperatura ambiente até 350 °C, com uma taxa de aquecimento
de 15 °C min -1 e patamar de 120 min, em seguida aquecimento com taxa de 20 °C min -1 até
1200 °C por 600 min. O processo de calcinação foi realizado em atmosfera de oxigênio e
desaglomerados em almofariz. Pastilhas (10,00 x 1,91 mm) dos pós da fase cerâmica com
adição CuO (% em massa) foram conformadas em prensa uniaxial a 62 MPa e o processo de
sinterização foi investigado na faixa de 900 até 1200 °C, sem pressão, em atmosfera não
controlada. A metodologia detalhada do processo de fabricação dos sistemas cerâmicos
encontra-se em Vieira, D. C & Migliano, A. C. C., 2010 [8] A microestrutura foi investigada
utilizando um microscópio eletrônico de varredura modelo DSM 940A – Zeiss. As
propriedades ópticas foram investigadas por espectrofotometria de UV-vis utilizando um
espectrofotômetro modelo DR 5000™ na faixa 190 até 1100 nm. Os espectrogramas foram
normalizados em função da espessura das amostras cerâmicas.
A Tabela 1 apresenta os resultados obtidos dos estudos de sinterização, os parâmetros massa
seca (ms), massa úmida (mu), massa imersa (mi), densidade aparente (a), densidade mássica,
porosidade aberta () e porosidade fechada () foram calculados de acordo com o princípio de
Arquimedes. Esses resultados de sinterização mostraram que a cerâmica KSN apresenta uma
percentagem de porosidade aberta muito alta quando comparada com os sistemas cerâmicos
KSN – CuO. Os materiais cerâmicos dopado com 0,5 % de CuO apresenta uma quantidade
mínima de poros fechados e a cerâmica KSN e cerâmica KSN dopada com 1,0 de CuO
apresentam a mesma quantidade de porosidade fechada. Outros estudos desenvolvidos neste
projeto de pesquisa mostraram que a cerâmica KSN sinterizada em 1200 ºC apresenta uma
baixa sinterabilidade, enquanto que os sistemas cerâmicos KSN – CuO apresentam alta
densidade quando sinterizados em 1100 e 1200 ºC. Constatou-se também que ocorre
densificação para os sistemas cerâmicos KSN – CuO mesmo quando sinterizados em 900 ºC.
Os resultados de sinterização indicam que os mecanismos de densificação são distintos e há
uma forte influência do óxido de cobre II nos mecanismos de densificação e/ou formação de
defeitos distintos na rede cristalina [3].
Tabela 1. Materiais cerâmicos sinterizados a 1200 ºC.
Materiais
Ms(g)
mU(g) Mi(g) a(g/cm3) m(g/cm3) aberta (%) fechada (%)
KSN
0,6706 0,7150 0,5374
5,03
3,78
25,00
1,10
KSN + 0,5% Cu
0,6896 0,7055 0,5511
4,98
4,47
10,30
0,02
KSN + 1,0% Cu
0,6789 0,6899 0,5412
4,93
4,60
7,40
1,00
As micrografias MEV da cerâmica KSN revelaram uma microestrutura típica de estágio
intermediário de sinterização. Enquanto que os sistemas cerâmicos KSN – CuO
desenvolveram microestruturas distinta em função tanto do teor de óxido de cobre II quanto
da temperatura do processo de sinterização. As micrografias MEV dos sistemas cerâmicos
158
KSN dopado com 0,5 % CuO (Figura 1a e 1b) mostraram maior quantidade de fases
secundárias nucleadas junto aos contornos de grão em relação aos sistemas cerâmicos KSN
dopados com 1,0 % CuO (dado não apresentado). As características microestruturais
relevantes desses materiais: formação de grãos lamelares marcados com círculos tracejados,
grãos do tipo macra (twins) marcados com uma flecha preta e fase distinta formada nos
contornos de grãos marcada com uma flecha branca estão apresentados na Figura 1b. A
diferença nas microestruturas formadas foi atribuída de forma fundamental ao processo de
oxidação – redução do óxido de cobre II que ocorre durante o processo de sinterização [3,9].
As imagens AFM dos sistemas cerâmicos KSN - CuO revelaram a formação de
nanoestruturas e alguns grãos apresentam estruturas regulares, grãos twins, grãos lamelares
também foram observados (dados não apresentados). Grãos do tipo lamelares são atribuídos a
formação de domínios ferroelétricos [10,11].
Resultados de microscopia óptica por luz polarizada (dados não apresentados) mostraram que
a cerâmica KSN e os sistemas cerâmicos KSN – CuO são constituídos de várias fases, pois na
microestrutura se observa uma matriz na qual tem grãos muito grandes incrustados nessa
matriz e a formação de nanofases esféricas distribuída por toda a matriz. Sendo que nos grãos
incrustados observa essas nanofases em menores quantidades quando comparada com as
regiões de contorno de grãos e da própria matriz. Um aspecto interessante é que superfície
plasmônica são oscilações coerentes de elétrons de condução sobre uma superfície metálica
excitada por radiação eletromagnética a interface dielétrico – metal [12]. Portanto, se essas
partículas esféricas forem de metal e/ou ligas metálicas, pode-se vislumbrar que esses
materiais apresentam características de superfície plasmônicas (surface plasmon).
(a)
(b)
Figura 1. Micrografia MEV do sistema cerâmico KSN dopado com 0,5% CuO. (a) 500x e (b)
5000x
Ainda, materiais com microestruturas complexas são características dos materiais
ferroelétricos do tipo relaxor, exemplo desta classe é o titanato zirconato de chumbo (PZT), os
sistemas ferroelétrico comerciais mais utilizados são fundamentos nos PZTs [10].
A espectroscopia de UV - Vis fundamenta-se nas transições eletrônicas que ocorrem da
interação da radiação eletromagnética com a matéria. Ou seja, da absorção da radiação
ultravioleta ou visível que excita os elétrons da molécula dando origem às transições
eletrônicas do estado fundamental para estados de mais alta energia (estado excitado). Os
espectros de absorção ópticos é o registro da intensidade de luz absorvida em função do
comprimento de onda. Em geral, em vez da intensidade de luz absorvida, se registra o
logaritmo da relação entre a intensidade da luz incidente (Io) e a intensidade da luz
transmitida (I), essa grandeza é chamada de absorbância ou densidade óptica.
A Figura 2 apresenta os espectros de absorção da cerâmica KSN e dos sistemas cerâmicos
KSN - CuO, nos quais as seguintes características são observadas: (i) uma banda entre 830 –
159
983 nm (região III) e essa banda é muito mais proeminente para os materiais cerâmicos
modificados com óxido de cobre II, (ii) dois picos anômalos em 470 e 684 nm (região II), não
claros até o momento. Não houve mudanças nas posições desses picos em função do teor de
CuO, porém observa-se uma mudança nos seus formatos em função do teor de CuO e (iii)
observa-se mudanças na região do ultravioleta (região I) e na região do infravermelho (região
IV).
Em outro estudo por espectroscopia no infravermelho (FTIR) realizado por outros
pesquisadores apontaram que a banda de absorção referente aos niobatos abaixo de 432 cm-1
devida à deformação das ligações O-Nb-O, sendo que esta banda é fortemente ligada aos
estiramentos da ligação M-O e da deformação da ligação M-O-M; sendo M um metal
qualquer[13]. Ainda, é conhecido da literatura que íons cobre (Cu2+), frequentemente
apresenta uma banda de absorção larga na região ente 600 – 800 nm [14]. Os metais de
transição são caracterizados por terem cincos orbitais d parcialmente preenchidos, cada orbital
é capaz de acomodar um par de elétrons e as características espectrais dos metais de transição
envolvem os vários níveis de energia deste orbital. A inserção de íons cobre na matriz KSN é
clara, pois há uma mudança notável nas cores desses sistemas cerâmico KSN – CuO [9], os
resultados de espectroscopia de UV – Vis (ainda que preliminar) permitiram inferir que íons
cobre estão presentes matriz KSN (Cu2+, Cu1+ ou a forma mais rara, Cu3+) e provavelmente
ocupam o sitio octaedral do íon nióbio com a formação da ligação Cu-O-Cu. Outra
característica bastante relevante desses sistemas cerâmicos, pois um dos requisitos para
obtenção de materiais ferroelétricos do tipo relaxor é a ocupação de mais de um íon em um
mesmo sítio da rede cristalina [5].
Região II
região I
Região III
IV
Absorbância (u.a.)
(a)
(b)
(c)
(a) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1200 °C
(b) Sistema cerâmico KSNsinterizado a 1200 °C
(c) Sistema cerâmico KSN - 0,5 % CuO sinterizado a 1200 °C
200
400
600
800
1000
Comprimento de onda (nm)
Figura 3. Espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN – CuO.
A Figura 2 apresenta os espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN dopada com 1,0%
de CuO e sinterizados em 1100 e 1200 °C. As características observadas são: (i) mudanças
nos pico em 470 e 684 nm em relação ao formato e (ii) na região do ultravioleta observou um
pico em 328 nm para a cerâmica dopada com CuO e sinterizada em 1100 °C, o qual não é
observado para cerâmica KSN ou para cerâmica KSN dopada com 1,0 CuO sinterizada em
1200 °C. Todos os espectros de absorção são similares, assegurando assim que as
características estruturais dos materiais TTB se mantem e estão de acordo com resultados
obtidos por difratometria de raios – X e espectroscopia Raman. Estudos por
espectrofotometria de UV-Vis - Near FTIR estão em andamento.
160
Absorbância (u.a)
(b)
(a)
(c)
(a) Cerâmica KSN sinterizada a 1200 °C.
(a) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1100 °C.
(b) Sistema cerâmico KSN - 1,0 % CuO sinterizado a 1200 °C.
200
400
600
800
1000
Comprimento de onda (nm)
Figura 3. Espectros de absorção dos sistemas cerâmicos KSN – CuO.
Os resultados de espectroscopia de UV-Vis mostraram que o teor de óxido de cobre II tem
influência nas propriedades ópticas dos sistemas cerâmicos KSN – CuO, pois o teor de óxido
de cobre II introduz modificações nos espectros de absorção e também a temperatura do
processo de sinterização introduz modificações nos espectros de absorção. Esses resultados
corroboram que esses materiais pertencem a uma classe nova de materiais ferroelétricos
isentos de chumbo. Portanto, novos estudos por espectroscopia de fotoelétrons (XPS),
determinação das propriedades dielétricas e das propriedades de piezeletricidade deverão ser
realizados para uma compreensão detalhada das microestruturas resultantes em função do teor
de óxido de cobre II, podendo então definir aplicações específicas dessa nova classe de
materiais ferroelétricos isentos de chumbo KSN – CuO.
Conclusões
Os resultados estruturais de UV-Vis permitem inferir que a estrutura cristalina da fase KSN se
mantém nos sistemas cerâmicos KSN – CuO. As caracterizações microestrutural apontam que
esses materiais apresentam características de materiais ferroelétricos do tipo relaxor e são
candidatos promissores para substituírem os materiais ferroelétricos comerciais à base do
óxido titanato zirconato de chumbo (PZT). Vislumbra-se que esses materiais apresentam
características de superfície plasmônica (surface plasmonic materials) e poderão ser utilizados
na área de telecomunicações. Por fim, esses sistemas cerâmicos KSN – CuO apresentam
vantagem social e econômica, pois são materiais que estão em concordância com as leis
ambientais e o processo de fabricação desses sistemas cerâmicos é simples e barato,
permitindo então a transferência dessa tecnologia para o setor industrial. Ainda, essa pesquisa
busca a compreensão de fenômenos relacionados na área de materiais cerâmicos
nanoestruturados.
Agradecimentos
À FAPESP, bolsa de pós-doutoramento – projeto 03/05827-9; ao Departamento de Física,
Química e Biologia (DFQB) da UNESP de Presidente Prudente, SP, no período de 2003 a 207
pelo uso da infraestrutura, ao IEAv, Divisão de Física Aplicada – Laboratório de Sistemas
Eletromagnéticos pelo uso da infraestrutura no período de 2008 a 2011, à DIRPPG da UTFPR
campus Londrina, PR, pelo apoio financeiro recebido e à fundação Araucária pela bolsa
PIBIC concedida.
161
Referências
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niobate K2Sr4Nb10O30 and the peroviskite Pb(Mg 1/3Nb2/3))3, Materials Science and
Engineering B v. 40, p. 127 – 139, 1996.
[8] VIEIRA, D. C.; MIGLIANO, A. C. C.; Cerâmicas nanoestruturadas à base do óxido de
niobato de estrôncio e potássio com inserção de íons cobre e processo otimizado de fabricação
de cerâmicas nanoetruturadas, PI1002803-0, 2010
[9] VIEIRA, D. C., BALAN, A. M. O. A.; CARDOSO, C. X.; Evolução microestrutural da
cerâmica KSr2Nb5O15 dopada com razão CuO:B2O3, Cerâmica, v. 55, p. 128 -134, 2009.
10] FANG, F; YANG, W.; E ZHU, T.; Crak tip 90 º domain seitching in tetragonal
lanthanum- modified lead zirconate titanate undr an electric field, J. Mater. Res., p. 7, 1999.
[11] TAFFNER, U.; CARLE, V.; SCHAFER, U.; HOFFMANN, M. J.; Preparation and
microstructural Analysis of high – Performance Ceramics, ASM International, v. 9
Methallography and microstructures.
[12] STEWART, M. E.; ADERTON, C. R.; THOMPSON, L. B.; MARIA, J.; GRAY, S. K.;
Nanostructured plasmonic sensors, Chemical reviews, v. 108, n. 2, p.494 – 521, 2008.
[13] ZHAO, J. P., LIU, X. R., QUIANG, L.S., Characteristics of the precursor and their
thermal decomposition during the preparation thin films by the Pechini Method, Thin solids
films, v. 515, p.1455-1460, 2006
[14] SKOOG, A. D., Principles of instrumental analysis. 5 ed. Orlando. 1998, 338p.
Art.29
162
MAPEAMENTO DE ESPÉCIES QUIMIOLUMINECENTES PARA
APLICAÇÃO EM TÚNEIS DE CHOQUE HIPERSÔNICOS 1
L. M. Vialta1*; D. Carinhana Jr. 2
Universidade Estadual de Campinas – Instituto de Química, Campinas – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José
dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: chamas, espectroscopia, combustão, hipervelocidade.
Introdução
O voo hipersônico tem despertado grande interesse tanto acadêmico como tecnológico. Novos
veículos têm sido desenvolvidos com velocidades de cruzeiro de até dezenas de números de
Mach [1]. Esses valores são alcançados com a utilização de motores “scramjet”, acrônimo de
“supersonic combustion ramjet”, ou estato-reator de combustão supersônica. Os motores
scramjet pertencem a uma classe de motores de combustão aspirada cuja principal
característica é dispensar o uso de oxidante embarcado, o que resulta em um aumento
considerável de sua carga útil [2-4]. Em geral, o Hidrogênio tem sido empregado como
propelente, devido a seu elevado impulso especifico. Entretanto, hidrocarbonetos como o
querosene também tem sido utilizado na operação dos motores à combustão supersônica. Em
ambos os casos, espécies intermediárias da combustão apresentam forte intensidade de
emissão natural na região do espectro visível e do ultravioleta próximo. Essas espécies podem
ser utilizadas como sondas não-intrusivas na determinação de parâmetros como a temperatura
e velocidade dos processos de combustão [5]. Nesse trabalho, foi estudada a emissão natural
de chamas de GLP, Gás Liquefeito de Petróleo, por meio de imagens bidimensionais, com
vistas ao emprego da técnica na caracterização da combustão supersônica produzida no
interior dos túneis de choque existentes no IEAv.
Metodologia
As chamas investigadas foram obtidas a partir de um queimador do tipo pré-misturado
operando em regime atmosférico, comumente conhecido como bico de Bunsen, utilizando
GLP como combustível. O sinal de emissão natural foi registrado por uma câmera CCD
intensificada. Um conjunto de filtros espectrais foi utilizado na identificação das espécies
presentes na chama, de acordo com a Tabela 1. Um esquema do arranjo experimental
utilizado é mostrado na Figura 1.
Tabela 1. Correspondência entre as espécies intermediárias e os filtros ópticos utilizados.
Espécies
Intervalo espectral (nm) ± 5 nm
C2*
510
OH*
310
CH*
430
1
Projeto: Projeto HIPERVEL - medida de velocidade em escoamentos hipersônicos. Convênio FINEP
01.11.0069.00.
163
Figura 1. Esquema do arranjo experimental utilizado.
A relação entre as imagens adquiridas e os objetos reais foi estabelecida posicionando-se uma
régua atrás do queimador. As imagens da chama foram registradas variando-se o tempo de
exposição desde 100 s até 5,0 ms, com acumulação de 50 a 1 imagem, respectivamente, e
50% de ganho no intensificador.
Na Figura 2 é mostrada a imagem do queimador e a região de referência utilizada nos
experimentos. Foi determinada a proporção de 1mm para 20 pixels nas imagens obtidas. Esse
valor foi obtido importando-se a figura em um programa de edição de imagens.
Figura 2. Imagem do queimador e da régua utilizada como referência.
Uma vez estabelecida a proporção pixel/cm, foi possível determinar a distribuição dos
radicais ao longo da chama em função da distância do queimador. Um exemplo é mostrado na
Figura 3, em que o radical OH* pode ser observado até uma altura de 4,10 cm acima do
queimador. As cores indicadas nas imagens são ilustrativas e representam a concentração
relativa dos radicais, sendo, em ordem crescente, azul, verde, vermelho e branco. O tempo de
exposição foi de 100s, com acumulação de 50 imagens. Isso significa que a imagem final é
resultado da média de 50 imagens obtidas pela chama. O uso desse recurso apresenta dupla
função: melhorar a qualidade das imagens, ao eliminar variações naturais da chama, e evitar a
saturação do intensificador da câmera, protegendo, assim, seus elementos sensores de
eventuais danos causados pelo excesso de luz.
164
Figura 3. Exemplo de determinação da distribuição de OH* na chama de GLP.
A Figura 4 mostra as imagens obtidas das chamas com os demais filtros espectrais. A análise
das imagens mostra a distribuição irregular de cada um dos radicais, sendo a espécie OH*
aquela que apresenta maior dispersão ao longo da chama, chegando até a altura de 4,10 cm,
seguido pelos radicais C2* e CH*, a uma altura de 1,72 cm e 1,50 cm respectivamente. Tal
distribuição confirma resultados da literatura [6]. A despeito da diferença de distribuição, em
todos os casos não foram visíveis diferenças apreciáveis entre as imagens de um mesmo
radical, o que significa que a chama é estável, operando em regime estacionário, portanto.
Como exemplo, considerando um total de 10 imagens, o desvio-padrão para o cálculo da
altura do radical OH* foi de 0,01 cm.
Na sequência, foram testadas a qualidade das imagens obtidas utilizando menores valores de
acumulação, até se obter imagens com uma única exposição. Esse estudo visa adequar o uso
da técnica em futuras aplicações nos túneis de choque, uma vez que o intervalo de aquisição
entre as imagens pela câmera é superior ao tempo disponível na seção de testes, da ordem de
alguns milissegundos. A Figura 5 mostra as imagens do radical OH* em diferentes tempos de
exposição e número de imagens acumuladas, de tal forma que o tempo total de exposição foi
da ordem de ca. 5 ms. A comparação entre as imagens mostra que, do ponto de vista
qualitativo, não existe diferença apreciável entre os resultados obtidos, indicando que a
resposta da câmera é equivalente nas situações investigadas. No entanto, para que a avaliação
possa ser quantificada, está sendo estabelecido um método de integração baseado no arquivo
matricial da intensidade fornecido pelo programa controlador da câmera, que contém a
intensidade relativa atribuída a cada pixel do CCD. A Figura 6 mostra os passos preliminares
do método, em que a chama é dividida em regiões arbitrárias de concentração relativa
semelhante. Uma vez estabelecidas essas regiões, suas respectivas intensidades serão
calculadas a partir dos dados contidos no arquivo matricial.
Para a aplicação nos túneis, será necessário um estudo adicional de determinação do limiar de
detecção da câmara, de modo que o tempo total de aquisição seja reduzido para a casa de 1
ms. No momento, estão sendo programados novos experimentos.
165
Figura 4. Distribuição dos radicais nas chamas de bico de Bunsen. a) OH*,b), CH* e c) C2*.
Figura 5. Imagens do radical OH* obtidas em diferentes tempo de exposição e acumulação.
166
Figura 6. Exemplo de delimitação de regiões para a quantificação da intensidade relativa dos
radicais. Imagem obtida com o uso do filtro do radical OH*.
Conclusões
Os resultados indicaram que os processos de combustão investigados podem ser estudados
por meio da espectroscopia de emissão natural das espécies radicais intermediárias. As
imagens obtidas com o uso de filtros espectrais do tipo “banda-fina” mostraram distribuições
irregulares dos radicais OH*, C2* e CH*, confirmando resultados da literatura. Ao mesmo
tempo, a obtenção sequencial de imagens mostrou que as chamas são estáveis, seguindo um
regime estacionário. O estudo da variação dos tempos de exposição e de acumulação das
imagens mostrou que a qualidade da obtenção de imagens com uma única exposição é
equivalente às imagens obtidas a partir de imagens sequenciais. Esse comportamento da
câmera indicou a possibilidade de uso do sistema nos experimentos envolvendo escoamentos
hipersônicos, nos quais o tempo de teste é menor do que o intervalo necessário para a
obtenção de duas imagens seguidas.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao programa CNPq/PIBIC pela bolsa de Iniciação Científica e pela
FINEP pelo financiamento parcial do projeto, convênio 01.11.0069.00.
Referências
[1] ANDERSON, J. D. Anderson. Modern Compressive Flow. 3ª ed. Nova Iorque:
McGraw-Hill, 2003.
[2] WEBER, J. R. e MAcKAY, J. An Analysis of Ramjet Engines Using Supersonic
Combustion. NACA, TN 4386, 1958.
[3] FERRI, A. Ferri, Review of Sramjet Technology. J. Aircraft, v. 5, p. 3-10, 1968.
[4] SWITHENBANK J. Hypersonic air-breathing propulsion. Prog. Aeron. Sci., v. 8, p. 229294, 1966.
[5] WOOKYUNG Kim ; Hyungrok Do ; Mungal, M.G. ; Cappelli, M.A. A Study of PlasmaStabilized Diffusion Flames at Elevated Ambient Temperature. IEEE Transactions on
Plasma Science v. 36. n. 6. p. 2918-2923, 2008.
[6] CARINHANA, D. Determinação de Temperaturas de Chamas por Espectroscopia de
Emissão. Campinas, 2006. 129p. Tese de Doutorado – Instituto de Química, Universidade
Estadual de Campinas.
Art.30
167
SOFTWARE PARA CÁLCULO DO VALOR DA INFORMAÇÃO
L. A. de Almeida1,2,*; H. A. Vieira1,2; J. J. de Farias Neto1
Divisão de Geointeligência, Instituto de Estudos Avançados, São José dos Campos, SP
2
Divisão de Ciência da Computação, Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos
Campos, SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Valor esperado da informação perfeita, árvores decisórias, redes bayesianas.
Introdução
A Teoria da Decisão visa à tomada de decisões racionais e consistentes em condições de
aleatoriedade ou incerteza [1]. Neste contexto, pode ser interessante investir para eliminar
incertezas antes de se tomar uma decisão. Por exemplo, caso uma empresa petrolífera
pretenda furar um poço em busca de petróleo, é conveniente fazer um estudo a fim de
determinar se a probabilidade de achar petróleo é alta antes de arcar com os gastos da
perfuração. Assim, surge a questão: quanto vale a pena investir neste estudo?
A fim de solucionar esta questão de maneira automatizada, o presente trabalho tem como
objetivo desenvolver um pacote computacional para o cálculo do valor esperado da
informação perfeita (VEIP) em árvores decisórias. Ao contrário dos pacotes comerciais
disponíveis, que só automatizam esse cálculo para diagramas de influência, o nosso o faz para
árvores detalhadas e permite que se associe uma rede bayesiana a cada nó aleatório, de modo
a se relacionar as probabilidades dos seus ramos a outras variáveis.
Metodologia
O software foi desenvolvido em JAVA, utilizando a IDE NetBeans [2] e o sistema de controle
de versão Subversion [3]. Foram desenvolvidos dois módulos separadamente: o primeiro
responsável por calcular o VEIP de uma árvore decisória com os nós aleatórios já
estabelecidos, e o segundo responsável por associar uma rede bayesiana a cada nó aleatório.
O módulo relativo ao cálculo do VEIP pode ser dividido na construção da interface gráfica e
do algoritmo, propriamente dito. A interface gráfica foi implementada com auxílio da
biblioteca JGraphx [4], que disponibiliza ferramentas automáticas para construção e
visualização de grafos. O algoritmo foi construído utilizando conhecimentos a respeito de
estruturas de dados e percursos em árvores, para solucionar a expressão do cálculo do VEIP:
(1)
sendo r o conjunto de todos os nós aleatórios da árvore, ri o conjunto de nós aleatórios
selecionados para cálculo do valor da informação e x o conjunto de nós decisórios.
Este módulo foi feito de forma que permitisse também a elaboração descentralizada da árvore.
Neste caso, pode-se criar sub-árvores que serão agregadas à estrutura geral. Esta proposta é
interessante quando se trabalha com sistemas complexos como algumas aplicações da Força
Aérea, pois cada organização poderia criar sua sub-árvore e a direção geral as acoplaria
facilmente à árvore global.
Já o módulo relativo às redes bayesianas tem o objetivo de relacionar os valores de
probabilidades utilizados nos nós aleatórios com variáveis do mundo real. O projeto
UnBBayes [5] foi utilizado para apoiá-lo, como parte principal da construção, visualização,
168
edição e compilação das redes bayesianas, bem como da integração destas com a árvore
decisória.
Este projeto encontra-se em fase inicial de desenvolvimento e serão apresentados os
resultados da primeira versão do software, com os dois módulos já integrados e uma interface
amigável com o usuário.
As Figuras 1, 2 e 3 apresentam algumas telas da versão atual do software.
A tela da Figura 1 apresenta a árvore decisória proposta em [6], utilizando a convenção de
representar nós decisórios por retângulos, nós aleatórios por círculos e nós de utilidade por
hexágonos.
Figura 1: Criação da árvore proposta em [6].
Na Figura 2, mostra-se a tela de criação e edição de redes bayesianas que é exibida ao
selecionar o item “Rede Bayesiana” no menu superior (Figura 1).
Figura 2: Criação da rede bayesiana para associar a um nó aleatório.
Para obter o VEIP, devem-se seguir os seguintes passos: inicialmente, o usuário deve
selecionar o item “Análise” no menu superior da Figura 1 e, em seguida, escolher a opção
“VEIP”. Neste momento, uma nova tela surgirá na aplicação para seleção dos parâmetros.
169
Nesta tela, o usuário deve escolher um conjunto de nós aleatórios e um único nó decisório, de
forma que, ao apertar o botão “Calcular VEIP”, o software retornará o resultado.
A Figura 3 apresenta os parâmetros para calculo do VEIP da árvore descrita na Figura 1.
Neste exemplo, o resultado significa que vale a pena pagar até 0,5 (unidades monetárias) para
um especialista eliminar as incertezas em relação aos nós aleatórios 4 e 14 antes de se tomar a
decisão do nó 2.
Figura 3: Seleção dos parâmetros para cálculo do VEIP.
Para avaliar a performance deste software, considerou-se a relação entre o tamanho da árvore
(número total de nós) e o tempo gasto na execução do algoritmo. A medida do tempo foi
realizada em milissegundos1. Consideraram-se três exemplos de arvores de decisão: no
primeiro caso, ilustrado na Figura 1, a árvore possui 1 nó decisório, 4 nós aleatórios e 13 nós
de utilidade; no segundo caso, ilustrado na Figura 4, a árvore possui 3 nós decisórios, 14 nós
aleatórios e 24 nós de utilidade; e, no terceiro caso, ilustrado na Figura 5, a árvore possui 4
nós decisórios, 18 nós aleatórios e 32 nós de utilidade.
Figura 4: Árvore com 3 nós decisórios, 14 nós aleatórios e 24 nós de utilidade2.
1
A execução foi realizada em uma máquina Intel(R) Core(TM) i5-2450M CPU @ 2.50GHz, sistema operacional
de 64 Bits e memória RAM de 6,00 GB.
2
VEIP calculado sobre dois nós aleatórios em relação ao nó decisório raiz.
170
Figura 5: Árvore com 4 nós decisórios, 18 nós aleatórios e 32 nós de utilidade1.
A tabela 1 apresenta os resultados obtidos nos três exemplos de árvores.
Tabela 1: Comparação entre o tempo gasto no algoritmo para diferentes árvores.
Árvore
Número total de nós Tempo de execução (ms)
Caso 1
13
0
Caso 2
41
265
Caso 3
54
27987
Pelos resultados obtidos, observa-se um grande aumento no tempo de execução ao se
adicionar poucos nós à árvore decisão. Isto ocorre pois a complexidade do algoritmo não é
polinomial. Melhorias nesse sentido podem surgir numa próxima fase do projeto, como, por
exemplo, obter um cálculo aproximado do valor da informação eliminando alguns ramos
estratégicos da árvore. Existem estudos semelhantes, em áreas específicas, como campos de
petróleo [7].
Como trabalhos futuros, pretende-se acrescentar ao pacote computacional a capacidade de
calcular o valor esperado da informação imperfeita (VEII) e de exibir a árvore construída sob
um formato fractal, de modo a se poder representar casos de grande porte.
Entre as possíveis utilizações do software no setor de defesa brasileiro, vislumbramos:
1. Representação gráfica e análise de cenários (Amazônia, Pré-Sal): a versão final
permitirá a visualização fácil de árvores grandes, usando-se conceitos como o de
grafos em espaço hiperbólico [8] e outros (a versão atual já facilita isso, através da
diminuição automática do tamanho das sub-árvores, à medida que se afastam da raiz).
2. Avaliação de grandes empreendimentos usando o conceito de opções reais (satélites
geoestacionários, Veículo Lançador de Satélites - VLS): o valor esperado do custo de
grandes empreendimentos normalmente diminui, quando se inverte a árvore decisória
(de modo que os nós aleatórios sejam considerados antes dos decisórios), porque
geralmente é possível contratar especialistas que cobram menos do que o valor da
informação daqueles nós; esse efeito também pode ser conseguido (e mensurado pelo
nosso software) com a introdução de nós decisórios posteriores aos aleatórios em
pontos estratégicos do desenvolvimento do empreendimento.
3. Análise de riscos (VLS): dada a escassez de dados históricos que permitam computar
frequências (para estimar probabilidades) em cenários novos ou raros, tem-se usado
cada vez mais redes bayesianas, para a análise de risco, pela sua facilidade de associar
1
VEIP calculado sobre dois nós aleatórios em relação ao nó decisório raiz.
171
naturalmente probabilidades subjetivas (crenças de especialistas) e dados reais [9]; o
módulo no nosso software que permite acoplar uma rede bayesiana a qualquer nó
aleatório poderá ser usado com essa finalidade.
4. Priorização e alocação de recursos para pesquisas: pesquisas são feitas para obter
informações; assim, valem tanto quanto estas últimas. Construindo-se a árvore
decisória na qual se insere o nó aleatório cujas informações se desejam obter, pode-se
estimar o valor da pesquisa e, portanto, saber quanto vale a pena investir nela.
Comparando-se os valores de várias linhas de pesquisa, é possível estabelecer uma
lista de priorização entre elas.
Conclusões
Com o presente trabalho alcança-se o objetivo de automatizar o cálculo do VEIP para árvores
decisórias, bem como de integrar os nós aleatórios com redes bayesianas. O pacote
desenvolvido apresenta uma interface amigável e de simples utilização.
Verifica-se, porém, que a resolução de árvores de grande porte pode acarretar em um custo
computacional elevado, devido à complexidade não polinomial do algoritmo, e melhorias são
necessárias nesse sentido.
Agradecimentos
Agradecemos ao Everton Cândido de Souza Santos pelos conhecimentos compartilhados a
respeito de pacotes gráficos da linguagem JAVA, que foram de grande utilidade no
desenvolvimento do projeto.
Referências
[1] FREITAS, M. A. S. Análise de risco e incerteza na gestão hidroambiental. Simpósio
Brasileiro de Recursos Hídricos. Porto Alegre, 2003.
[2] NETBEANS IDE. Disponível em: https://netbeans.org/. Acesso em: maio de 2013.
[3] Subversion (SVN). Disponível em: http://subversion.apache.org/. Acesso em: maio de
2013.
[4] JGraphX. Disponível em: http://www.jgraph.com/ Acesso em: maio de 2013.
[5]
CARVALHO,
Rommel
Novaes.
UnBBayes.
Disponível
em:
http://unbbayes.sourceforge.net/index.html. Acesso em: maio de 2013.
[6] FARIAS NETO, João José de . Investimento em defesa: quanto vale a pena aplicar?. XIV
Simpósio de Aplicações Operacionais em Áreas de Defesa, 2012. CD-ROM p. 250-253.
[7] XAVIER, Alexandre Monticuco. Análise do Valor da Informação na Avaliação e
Desenvolvimento de Campos de Petróleo. Campinas, 2004. Dissertação de Mestrado –
UNICAMP, 2004.
[8] MUNZNER, Tâmara. Exploring Large Graphs in 3D Hyperbolic Space. IEEE Computer
Graphics and Applications. Julho/agosto, 1998. p. 18-23.
[9] Agena’s Bayesian Network Technology. Agena White Paper W0904/01, Version 01.00, 5
Sept 2004. Disponível em:
http://www.agenarisk.com/resources/technology_articles/Agena_BN_Technology.pdf
Acesso em: maio de 2013.
Art.31
172
IMPLEMENTAÇÃO DO EFEITO DA NÃO-PARABOLICIDADE DA
ENERGIA NA APROXIMAÇÃO DE MASSA EFETIVA DE MATERIAIS
SEMICONDUTORES NO QWS1
1
R. Y. Tanaka1,2*; N. M. Abe1; A. Passaro1,2
2
*[email protected]
Palavras-chave: absorbância, nanoestruturas semicondutoras, poços quânticos, método dos
elementos finitos.
Introdução
Nanoestruturas semicondutoras baseadas em poços, fios e pontos quânticos estão sendo
utilizadas, atualmente, em diversos dispositivos eletrônicos tais como sensores de
infravermelho [1], lasers [2] e células solares [3]. Neste último exemplo, há um grande
número de publicações recentes focando a utilização de poços e pontos quânticos em
fotocélulas com banda intermediária [4], um conceito promissor que futuramente poderá
resultar em células solares com elevada eficiência [5]. Na área de fotodetectores de
infravermelho, dispositivos baseados em poços quânticos já vem sendo utilizados, com
sucesso, em sensores de uso espacial [6]. O foco hoje, encontra-se nos fotodetectores de
infravermelho baseados em pontos quânticos que vem recebendo grande atenção por parte dos
pesquisadores devido às vantagens teóricas desta em relação aos poços quânticos tais como a
capacidade de absorção intersubbanda de fótons com qualquer direção de incidência e a baixa
corrente de escuro devido ao confinamento tridimensional da função de onda do elétron [7].
O Laboratório de Engenharia Virtual (LEV) do IEAv faz parte, junto com outras
universidades e institutos de pesquisa, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em
Nanodispositivos Semicondutores (INCT-DISSE) criado em 2008 com o objetivo de
desenvolver novos dispositivos optoeletrônicos com ênfase em fotodetectores de
infravermelho e dispositivos baseados em efeitos puramente quânticos. Dentro desse
contexto, o LEV desenvolve ferramentas que permitem calcular propriedades e fenômenos de
dispositivos que usam nanoestruturas baseadas em poços, fios e pontos quânticos [8]
utilizando a aproximação de massa efetiva discutida acima. O módulo de cálculo básico
utiliza o Método de Elementos Finitos (MEF). Diversos trabalhos já foram realizados
utilizando estas ferramentas tais como uma otimização de múltiplos poços quânticos
utilizando algoritmo genético [9] e o estudo de fenômenos físicos que ocorrem em múltiplos
poços quânticos fracamente acoplados [10]. Dentre estas ferramentas, um software,
denominado QWS, vem sendo desenvolvido no LEV e permite ao usuário, projetar e calcular
características tais como corrente de escuro, fotocorrente e absorbância de nanoestruturas
baseadas em poços quânticos.
O QWS utiliza a aproximação de massa efetiva, um dos métodos mais utilizados para
descrever o comportamento de elétrons e buracos em materiais semicondutores [11]. Para
energias próximas ao mínimo da banda de condução ou ao máximo da banda de valência, a
massa efetiva é aproximada por um escalar m* calculado por (1):
1
Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq
nº. AEB 559908/2010-5.
173
1
d 2E 
m   2  ,
 dk 
*
2
(2)
na qual ħ é a constante reduzida de Planck, E é a energia e k, o vetor de onda. Essa
aproximação parabólica deixa de ser válida para energias muito acima do fundo da banda de
condução ou muito abaixo do topo da banda de valência. Em alguns casos como, por
exemplo, na absorbância de fotodetectores baseados em poços quânticos, é necessário calcular
estados muito acima do mínimo da banda de condução. Neste caso, é preciso implementar
uma correção devido à não-parabolicidade da banda de energia. Essa correção é incorporada
na massa efetiva do material que passa a variar em função da energia.
Este trabalho apresenta uma implementação da correção da massa efetiva, devido ao efeito da
não-parabolicidade da banda de energia, no programa QWS.
Formulação Matemática
Usando a aproximação de massa efetiva, os estados confinados em nanoestruturas
semicondutoras são calculados resolvendo-se a Eq. de Schrödinger independente do tempo,
dada por:


2 
1
 *
 r   V r  r   E r  ,
2  m r , E m0

(3)
no qual, V é o potencial,  é a função de onda, m0 é a massa do elétron em repouso e m* é a
massa efetiva em função da energia, dependente da não-parabolicidade da banda, dada por (4)
[12]:
 V r   E 
m* r , E   m* r 1 
,
E g r  

(4)
na qual Eg é o "gap" do material semicondutor e depende do parâmetro de não-parabolicidade
γ, calculada por:
E g r  
2
,
2m* r m0 r 
(5)
Substituindo a massa efetiva (4) em (3) e aplicando a expansão em Série de Taylor na
 V r   E 
expressão 1 

E g r  


1
com um truncamento de primeira ordem obtém-se:
2 
1

 *
2 
 m r m0

 V r   E  
1 
 r 
  V r  r   E r 

E g r  



(6)
Manipulando algebricamente os termos da expressão tem-se,

2
1
2
V r 
 *
 r    *
 r   V r  r 
2 m r m0
2 m r m0 E g r 


2
1
 E  r    *
 r 
2 m r m0 E g r 


(7)
Neste trabalho, o Método de Elementos Finitos é usado para resolver (7). Neste método. o
domínio,  é dividido em elementos de geometria simples, tais como linhas e curvas em
174
estudos unidimensionais, triângulos e retângulos em estudos bidimensionais e tetraedros e
paralelepípedos em 3 dimensões.
As variáveis dependentes e, quando necessário, suas derivadas, são calculadas nos chamados
pontos nodais que, no caso mais simples, coincidem com os vértices dos elementos. No caso
da Eq. de Schrödinger, a variável dependente é a função de onda. Dentro de cada elemento,
 , a função de onda é expandida em termos de um conjunto de funções de base, Ni:
np
   N i i

(8)
i 1
na qual np é o número de pontos nodais do elemento e i é o valor da função de onda
calculada em cada ponto nodal. Neste trabalho, assume-se que a massa efetiva e o potencial
são constantes dentro de um elemento finito, mas que podem variar de um elemento para
outro.
Aplicando o Método de Resíduos Ponderados em (7) e, em seguida, aplicando a Técnica de
Galerkin, na qual as funções peso no interior de cada elemento são escolhidas iguais às
funções de interpolação utilizadas para descrever as variáveis de estado ( Pi  N i ) obtém-se,
para cada elemento  :
2
*
2 m m0
 N  N d  
 T


 T
 2V 


*
 N  N d  
 T

2m m0 E g
V  

N  N d  
 T



 T
*
 T


 T
(9)
 N  N d  
E 2


N  N d  
 T

 E


 T



 T

2m m0 E g
ou
A  B  C  T
 E D  E    ,
T
(10)
na qual
A
 N  N d
2
 T
*
2 m m0
B
 2V 
*


,

 N  N d
 T

2m m0 E g




N  N d ,
D   N  N d ,

 N  N d
C  VT 
 T

(11)
,

(13)

 T


(14)

E
2
*
 T

2 m m0 E g


(12)

,
(15)
Metodologia
O QWS é um programa multiplataforma escrito em linguagem C++ orientada a objeto que
utiliza a biblioteca Qt para montar a interface com o usuário. O módulo de cálculo principal,
que monta e resolve o sistema matricial de autovalores utilizando o Método de Elementos
Finitos, apresentado na Seção de Formulação Matemática, foi construído tendo por base a
biblioteca sdk-levsoft, também desenvolvida no LEV.
Dois casos serão apresentados na seção de resultados. O primeiro caso é de um artigo
publicado na Phys. Rev. B [12] que apresenta o efeito da não-parabolicidade em poços
quânticos. O material do poço, de 200 Å, é de GaAs e as barreiras, de Al0,37Ga0,63As. O
175
parâmetro de não-parabolicidade, fornecido neste artigo para o GaAs é de 4,9x10–19 m2. O
valor do parâmetro de não-parabolicidade para os outros materiais e ligas é calculada, a partir
do valor para o GaAs, pela relação [12]:
 1  m2* 


 2  m1* 
2
(16)
O outro caso refere-se a uma estrutura que foi projetada com o QWS para detectar radiações
eletromagnéticas na faixa do infravermelho com comprimento de onda da ordem de 9,3 μm.
Esta estrutura foi crescida e processada nos laboratórios do INCT-DISSE e é composta de
poços de GaAs de 56,5 Å e barreiras de Al0,205Ga0,795As de 300 Å. O resultado comparado
neste caso será o do espectro de absorbância experimental. No QWS a absorbância é
calculada por [13]:
 2D 
 1  exp E F  En  / k BT  
e 2 k BT
 /
,
f nn´ ln 


2
2
2 0 c n,n´
1  exp E F  En '  / k BT   En '  En     
(17)
na qual n e n' são os índices do estado fundamental e do último estado confinado,
respectivamente, EF é a Energia de Fermi, En é o valor da energia do n-ésimo estado, kB é a
Constante de Boltzmann, T é a temperatura, ω é a freqüência angular, η é o índice de refração
do material, Γ é o meio comprimento, meia altura (HWHM) de uma Lorentziana normalizada
e fnn' é a força de oscilador dada por:
2
f nn´


2
  n i n '  .
 *


m m0 En  En '   

(18)
Caso 1: poço de GaAs com 200 Å de largura e barreiras de Al0,37Ga0,63As.
Os valores de energia dos estados confinados calculados pelo QWS com e sem a correção da
massa efetiva devido à não-parabolicidade, comparada com os valores das energias
apresentadas em [12] são mostradas na Tab. 1.
Tabela 1. Energia dos cinco estados confinados no poço.
Estado
E1
E2
E3
E4
E5
QWS parabólico (eV)
0,01039
0,04154
0,09322
0,16463
0,25260
QWS não-parabólico (eV)
0,01055
0,04116
0,08886
0,14920
0,21672
Ref. [12] (eV)
0,01055
0,04111
0,08882
0,14974
0,21893
Os valores de energia calculados considerando a não-parabolicidade estão de bom acordo com
os valores de energia apresentadas na referência. Analisando os valores da segunda coluna da
Tab. 1, que contém as energias dos estados calculados pelo QWS sem a correção da nãoparabolicidade, observa-se que os valores de energia dos dois primeiros estados, próximos do
mínimo da banda de condução, são pouco afetados pela não-parabolicidade da banda. Do
terceiro estado em diante, mais distantes do mínimo da banda de condução, os valores de
energia calculados já são bem diferentes dos valores da referência, indicando que a
aproximação parabólica já não é mais válida para estes estados.
Caso 2: poço de GaAs com 56,5 Å de largura e barreiras de Al0,205Ga0,795As.
176
Absorbância (u.a.)
A Fig. 1 mostra os espectros de absorbância experimental (linha contínua) e calculados
(linhas tracejadas) para esta estrutura, que foi projetada e otimizada pelo QWS para um sensor
de infravermelho na faixa de 9,3 μm.
A curva tracejada com o símbolo de adição representa o espectro de absorbância calculada
com as forças de oscilador das energias e funções de onda obtidas levando em consideração o
efeito da não-parabolicidade da energia. A outra curva tracejada representa o espectro de
absorbância calculada considerando a energia parabólica com o pico do espectro de absorção
exatamente em 9,3 μm. O espectro de absorbância experimental localiza-se em torno de
9,8 μm. Observa-se que o pico do espectro calculado com a correção da não-parabolicidade
coincide com o espectro experimental. Quando esta estrutura foi projetada a correção da nãoparabolicidade ainda não havia sido implementada no QWS.
Comprimento de onda (m)
Figura 1. Curvas do espectro de absorbância experimental (linha contínua) e computacional
(linhas tracejadas).
Conclusões
A aproximação de massa efetiva é um dos métodos mais utilizados para descrever o
comportamento de elétrons e buracos em materiais semicondutores. O modelo mais comum
dentro desta aproximação é o modelo parabólico, que é válido para a maioria dos casos em
que as energias consideradas encontram-se próximas do máximo da banda de valência ou do
mínimo da banda de condução. Contudo este modelo deixa de ser válido para casos em que é
necessário levar em consideração energias de estados que se localizam longe da faixa de
energia válida para a aproximação parabólica, como ocorre quando se calcula a absorbância
de nanoestruturas semicondutoras baseadas em poços, fios e pontos quânticos.
A inclusão da não-parabolicidade no modelo de aproximação de massa efetiva para materiais
semicondutores no QWS, um programa desenvolvido no LEV para o cálculo de dispositivos
baseados em nanoestruturas semicondutoras, aumenta a utilidade da ferramenta
computacional para o projeto mais preciso dessas estruturas realizado com base em
parâmetros mensuráveis dos dispositivos, o que concorre para a redução do custo de
desenvolvimento e para a previsão de comportamento de estruturas não convencionais.
Este trabalho apresentou como foi realizada essa implementação na formulação matemática
da Equação de Schrödinger para o Método de Elementos Finitos, utilizada pelo QWS. Dois
casos foram apresentados nos resultados. O primeiro caso mostrou que para estados próximos
do mínimo da banda de condução a aproximação parabólica encontra resultados satisfatórios
porém, à medida que os estados se afastam do mínimo da banda de condução, é necessário
considerar a correção da não-parabolicidade na aproximação de massa efetiva. As energias
calculadas para este caso com a implementação da correção da não-parabolicidade
apresentada neste trabalho estão de acordo com os apresentados na Literatura. O segundo caso
177
apresentou a curva de absorbância experimental de uma nanoestrutura projetada pelo QWS
antes da implementação da correção da não-parabolicidade. O pico do espectro da
absorbância experimental, neste caso, foi diferente do calculado pelo QWS durante o projeto
da estrutura. O pico calculado só coincide com o pico experimental quando se calcula as
energias dos estados considerando o efeito da não-parabolicidade na massa efetiva.
Agradecimentos
Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no 559908/2010-5 e pela bolsa DT-1D
(310578/2012-4).
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In0.53Ga0.47As/GaAs0.5Sb0.5 multiple quantum well photodiode. Applied Physics Letters,
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optical performances of multiple quantum well transistor lasers. Applied Physics Letters, v.
100, n. 23, p. 231114, 2012.
[3] LUMB, M. P. et al. Double quantum-well tunnel junctions with high peak tunnel currents
and low absorption for InP multi-junction solar cells. Applied Physics Letters, v. 100, n. 21,
p. 213907, 2012.
[4] LUQUE, A.; MARTÍ, A. Increasing the Efficiency of Ideal Solar Cells by Photon Induced
Transitions at Intermediate Levels. Physical Review Letters, v. 78, n. 26, p. 5014-5017, jun.
1997.
[5] LUQUE, A.; MARTÍ, A. The intermediate band solar cell: progress toward the realization
of an attractive concept. Advanced materials (Deerfield Beach, Fla.), v. 22, n. 2, p. 160-74,
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[6] TING, D. Z.-Y. et al. A high-performance long wavelength superlattice complementary
barrier infrared detector. Applied Physics Letters, v. 95, n. 2, p. 023508, 2009.
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quantum wire and quantum dot devices, 2007 SBMO/IEEE MTT-S International
Microwave and Optoelectronics Conference. Anais...IEEE, 2007. Disponível em:
<http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=4404404>. Acesso em: 25
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[9] PASSARO, A. et al. Self-Consistent Optimization of Multi-Quantum Well Structures by a
Genetic Algorithm. IEEE Transactions on Magnetics, v. 46, n. 8, p. 2759-2762, ago. 2010.
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structure: a magnetic field induced “memory effect”. Journal of Physics D: Applied
Physics, v. 42, n. 14, p. 145109, 21 jul. 2009.
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compound semiconductors and their alloys. Journal of Applied Physics, v. 89, n. 11, p.
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[12] NELSON, D.; MILLER, R.; KLEINMAN, D. Band nonparabolicity effects in
semiconductor quantum wells. Physical Review B, v. 35, n. 14, p. 7770-7773, maio. 1987.
[13] LIU, H. C.; CAPASSO, F. Intersubband Transitions in Quantum Wells: Physics and
Device Applications I. [s.l.] Academic Press, 2000. p. 323.
Art.32
178
APLICAÇÃO DE MÉTODOS TEÓRICOS NA DETERMINAÇÃO DAS
ESTRUTURAS, POTENCIAL DE IONIZAÇÃO E ELETROAFINIDADE
DOS AGREGADOS DE Mgnx (n = 1 - 7, x = 0, ± 1)
O. Roberto-Neto1*; F. B. C. Machado2
Instituto de Estudos Avançados - Departamento de Aerotermodinâmica e Hipersônica,
DCTA - São José dos Campos – SP
2
Departamento de Química – Instituto Tecnológico da Aeronáutica, DCTA - São José dos
Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: agregados de magnésio, DFT; CCSD(T); geometrias; energias eletrônicas.
Introdução
As propriedades de agregados (ou clusters) de metais contendo poucos átomos são
significativamente diferentes daquelas do estado sólido (bulk), pois apresentam propriedades
eletrônicas, ópticas e magnéticas com comportamento não monotônico e dependente do
tamanho [1]. Agregados metálicos e materiais nano-estruturados, devido à baixa
dimensionalidade, apresentam potencial em aplicações tecnológicas como catalisadores e o
desenvolvimento de novos materiais com aplicações em engenharia aeronáutica. Em trabalho
anterior, empregamos métodos da teoria da função de onda (wave function theory, WFT) e
métodos do funcional densidade (density functional theory, DFT) no estudo das propriedades
eletrônicas e das estruturas de agregados neutros e ionizados de alumínio [2]. Dando
continuidade a este trabalho e com o objetivo de adquirimos maior experiência com agregados
metálicos formados por elementos químicos representativos da Tabela Periódica, aplicamos
métodos da química quântica molecular no estudo de agregados de magnésio. O átomo de
magnésio apresenta a configuração eletrônica 1s22s22p62s2 ou [Ne]2s2 e por isso considera-se
que o dímero e os agregados maiores podem ser ligados por forças fracas do tipo Van de
Waals. Esse tipo de ligação é difícil de ser descrita por métodos teóricos. Outra dificuldade é
a escolha adequada de métodos que consigam descrever continuamente diferentes tipos de
ligações que ocorrem nos agregados e no estado sólido (bulk de magnésio), ou em outras
palavras, interações interatômicas de diferentes origens como: forças de van de Waals 
ligação covalente  ligação metálica.
Medidas do espectro fotoeletrônico de agregados aniônicos [3] e cálculos da estrutura
eletrônica do magnésio [4,5] indicam que a banda eletrônica típica de ligação metálica
começa a predominar quando o número de átomos de magnésio, n, é maior do que 20. Neste
estudo investigamos agregados pequenos, neutros e monoionizados de Mgn (n = 2 a 7) cuja
natureza da ligação química está na região de transição entre as forças de van der Waals (ou
ligação de dispersão) e a ligação covalente, cujas propriedades eletrônicas ainda não foram
estudadas adequadamente. Neste trabalho empregamos os métodos DFT PBE0, M06 e M062X na determinação das geometrias, potencial de ionização e da eletroafinidade dos agregados
elementais Mgn (n = 2 a 7). Para os dímeros Mg 2 , Mg 2 e Mg 2 utilizamos também o método
WFT (coupled cluster singles, doubles and quase perturbative triples (CCSD(T)) para
determinar as estruturas e as energias de ligação química.
179
Metodologia
Métodos WFT e DFT foram empregados para a determinação das geometrias de equilíbrio
dos isômeros mais estáveis de agregados neutros e com cargas positiva e negativa formados
por átomos de magnésio. Em especial, empregamos em todos os cálculos os DFTs PBE0 [6],
M06 e M06-2X [7] e o conjunto base aug-cc-pVTZ [8]. Os agregados de magnésio neutros e
carregados (cátions e ânions) apresentam multiplicidades de spin singleto e dupleto,
respectivamente. Para os dímeros de magnésio realizamos cálculos mais rigorosos com o
método WFT CCSD(T) e o conjunto base aug-cc-pCVTZ, além de considerarmos todos os
elétrons (caroço eletrônico e valência). O código computacional empregado foi o Gaussian
versão 09 [9]. Todas as estruturas iniciais usadas nos cálculos de otimização das geometrias
de equilíbrio foram construídas manualmente baseado nas estruturas dos isômeros mais
estáveis identificadas em investigações teóricas com métodos DFT [4,5,10].
Neste trabalho são também apresentados valores do potencial de ionização adiabático
( EMgn  EMgn ) e da eletronegatividade adiabática ( EMgn  EMg  ); esta última grandeza é
também definida como energia de ligação do elétron ligado (electronic detachment). O
potencial de ionização adiabático (PI) (eV) mede a diferença de energia entre o estado
fundamental do agregado neutro e ionizado nas suas geometrias otimizadas. A afinidade
eletrônica adiabática (AE) é obtida como a diferença das energias totais entre o estado
fundamental do ânion e o agregado de magnésio neutro.
As geometrias e as frequências vibracionais harmônicas dos agregados de magnésio neutro,
cátions e ânions foram determinadas com os funcionais PBE0, M06 e M06-2X. Na Figura 1
são apresentadas as estruturas encontradas com o método M06-2X/aug-cc-pVTZ. Este
funcional densidade é recomendado para os cálculos de geometrias, energias e de
propriedades eletrônicas de espécies (moléculas e complexos-metálicos) formadas por
elementos químicos representativos da Tabela Periódica [7]. Os agregados apresentam
estruturas próximas à simetria dos sólidos platônicos, mas que em alguns casos se afastam da
simetria ideal por forças de distorção geradas pelo efeito Jahn-Teller em funções onda
eletrônicamente degeneradas. Todos os funcionais empregados preveem uma estrutura linear
para os cátions Mg 3 e Mg 4 . Note que, em geral, as estruturas dos agregados neutros e
carregados para n = 6 e 7 diferem entre si. A transição 2D  3D ocorre a partir de n = 4.
Uma comparação com cálculos prévios usando pseudopotenciais nas aproximações dos
funcionais PBE [10] e spin-density functional theory (SPFT) [5] mostra que os agregados
pequenos de magnésio são espécies não rígidas, ou fluxionais, com a possível presença de
isômeros estruturais com energias muito próximas. Os agregados neutros e aniônicos com n =
2, 3, 4 e 5 apresentam estruturas coincidentes ou próximas aos grupos de ponto Dh, D3h, Td, e
D3h, respectivamente. Todos os funcionais empregados preveem uma estrutura linear para os
cátions Mg 3 e Mg 4 . Note que, em geral, as estruturas dos agregados neutros e carregados
para n = 6 e 7 diferem entre si.
Na Tabela 1 são apresentadas as propriedades espectroscópicas: distância de equilíbrio (Re),
frequencia vibracional harmônica (e) e a energia de ligação ou de dissociação (De) para os
dímeros de magnésio neutros e carregados obtidos com os métodos PBE0, M06, M06-2X e
CCSD(T) (simbolizado com CC). O dímero Mg 2 apresenta estado eletrônico de multiplicidade
singleto e os dímeros carregados Mg 2 e Mg 2 apresentam estados fundamentais dubleto.
O dímero Mg 2 apresenta uma ligação muita fraca quando se considera a energia de ligação
eletrônica (De) que é igual a 0,056 eV e o comprimento de ligação (Re) igual a 3,890 Å. Estes
valores podem ser comparados aqueles do dímero ( Al2 ) do átomo de alumínio que apresenta
180
a configuração eletrônica [Ne]2s22p1 e é capaz de formar ligação covalente, ainda que
relativamente fraca, com valores experimentais de Re e De iguais 2,701 Å e 1,36 eV [2]. Note
que a energia de ligação do Al2 é 25 veze maior do que do dímero Mg 2 .
x
Figura 1. Geometrias do Mg n (n = 1 - 7, x = 0, ± 1)
(calculadas com o método M06-2X/aug-cc-pVTZ).
Uma comparação entre os resultados DFT e CCSD(T) mostra que o melhor acordo
encontrado com as medidas experimentais é com o método CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ, em que
todos os elétrons são considerados nos cálculos de correlação eletrônica. Para este nível de
cálculo, os valores teóricos de Re, e e De são 3,927 Å, 50,7 cm1 e 0,056 eV que são
comparáveis aos valores experimentais de 3,890 Å, 51.12 e 0,053 eV [11]. Em cálculos
prévios CCSD(T) (caroço congelado) e com uma base extensa de qualidade quádrupla zeta
[12] foram obtidos valores iguais a 3,969 Å, 45,4 cm1 e 0,050 eV, respectivamente. Os
resultados sugerem que a descrição rigorosa das interações de van de Waals na ligação do
Mg 2 , depende do emprego de conjuntos bases extensos, assim como da consideração de
todos os elétrons nos cálculos de correlação. Dentre os funcionais empregados, o método
M06-2X/aug-cc-pVTZ prediz valores dessas constantes espectroscópicas em melhor acordo
com os resultados experimentais e teórico CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ. Para o cátion Mg 2 e o
ânion Mg 2 há a predição de redução do comprimento de ligação e o concomitante aumento
da energia de ligação em relação ao Mg 2 . Uma comparação das grandezas espectroscópicas
calculadas com o método CCSD(T)/aug-cc-pCVTZ mostra que, para ambos os dímeros
carregados, o método M06 prediz valores em melhor acordo.
Na Tabela 2 são apresentados os valores dos potencias de ionização adiabático (PI) e
eletroafinidade (AE) obtidos com os DFTs PBE0, M06 e M06-2X dos agregados de magnésio
(n  7). Uma distinção importante entre esses métodos está na porcentagem da energia de
181
troca HF (Hartree-Fock) que eles contem que é de 25%, 27% e 56% para os funcionais PBE0,
M06 e M06-2X, respectivamente. Em geral, funcionais com maior valor de energia de troca
HF são recomendados para cálculos de propriedades eletrônicas de espécies neutras formadas
por átomos de elementos químicos, ou metais representativos, da Tabela Periódica, como o
caso do átomo de magnésio. Outra propriedade desses funcionais, em especial M06 e M062X, é o fato de que parte do potencial de troca é obtida por ajuste, ou parametrização, a partir
de medidas espectroscópicas e termoquímicas, o que em principio aumentaria a exatidão
nos cálculos de diferentes grandezas em relação aos dados experimentais.
Tabela 1. Valores de Re (Å), e (cm1) e De (eV) para os dímeros de magnésio obtidos
com os métodos PBE0, M06, M062X e CCSD(T)(CC).
PBE0a M06a M062Xa CCa CCb CCb,c Exp.d
Re 3,585 3,513 3,800 4,056 4,036 3,927 3,890
Mg 2 e 90,7 100,3
61,9
38,1 44,2 50,7 51.12
De 0,113 0,118 0,058 0.040 0.041 0.056 0.053
Re 3,045 3,025 3,039 3,057 3,054 3,017
Mg 2 e 205,5 198,9 169,0 0,302 210 214,0
De 1,484 1,354 1,605 1,166 1,294 1,327
Re 3,570 3,215 3,373 3,561 3,227 3,234
Mg 2 e 102,3 128,0 109,3 106,9 129,6 129,8
De 0,472 0,437 0,392 0,415 0,474 0,464
a
Conjunto base aug-cc-pVTZ
b
Conjunto base aug-cc-pCVTZ
c
Todos os elétrons estão incluídos nos cálculos de correlação
d
Experimental [11]
A partir dos resultados da Tabela 2, notamos que nos cálculos do potencial de ionização (PI),
quando se considera a diferença de energia entre os valores experimentais e os calculados,
ambos os funcionais M06 e M06-2X predizem, em geral erros menores que os obtidos com o
funcional PBE0. Em especial, há uma maior discrepância nos cálculos de PI para n = 6, cujas
diferenças são de 0,61, 0,61 e 0,44 eV, calculadas pelos métodos PBE0, M06 e M06-2X.
Neste caso, no prosseguimento deste trabalho estão sendo realizados cálculos mais rigorosos
com a metodologia CCSD(T), com o objetivo de verificar a origem desta divergência na
previsão do valor de PI. Note também que há uma lenta convergência nos valores de PI dos
agregados de n = 1 a n = 7 em relação ao valor do bulk de magnésio, 3,64 eV [13].
No caso da previsão dos valores de AE, o método PBE0 prediz valores em excelente acordo
com os dados experimentais e cujas diferenças (em módulo) são iguais a 0,12, 0,08, 0,028,
0,01, 0,18 e 0,09 eV para os agregados com n = 2, 3, 4, 5 e 7 átomos de magnésio,
respectivamente. Cálculos anteriores com o método MP4(SDTQ)/aug-cc-pVQ [14] predizem
valor de AE igual a 0,27 eV para n = 2, que coincide ao obtido com o método PBE0/aug-ccpVTZ (0,26 eV). Em trabalho anterior realizado para os agregados neutros e ionizados de
alumínio [2], observamos que o funcional PBE0 prediz também valores bastante exatos de
AE. Tanto experimental como teoricamente, mostra-se que o átomo de magnésio não é estável
com a presença de elétron adicional em sua camada eletrônica de valência.
182
Tabela 2. Valores dos potencias de ionização adiabático (PI) (eV) e eletroafinidade AE (eV)
obtidos com os DFTs PBE0, M06 e M06-2X dos agregados de magnésio (n  7).
n
Expa
PI
PBE0
M06
M06-2X
1
7,54
7,55
7,77
2
6,17
6,32
3
5,67
4
Expa
AE
PBE0
M06
M06-2X
7,63
-
-
-
-
6,23
6,32
0,26
0,10
0,03
0,38
5,72
5,73
5,85
0,82
0,55
0,56
0,90
5,96
5,94
5,96
6,28
1,27
0,72
1,27
0,99
5
5,27
5,31
5,40
5,50
1,08
0,89
0,77
1,09
6
5,10
5,10
5,27
5,71
1,22
0,99
0,80
1,40
7
5,26
5,29
5,39
5,57
1,37
1,13
2,19
1,46
bulk
a
Experimental [13]
-
-
-
3,64
-
-
-
3,64
Conclusões
Neste trabalho foram apresentados resultados da investigação teórica de algumas propriedades
eletrônicas e estruturais, como o potencial de ionização e eletroafinidade adiabáticos de
agregados neutros e monoionizados formados por 2 a 7 átomos de magnésio. O estudo foi
realizado com agregados que representam a transição entre dois tipos de ligações químicas, ou
seja, forças de van de Waals e ligação covalente cuja descrição rigorosa, da primeira,
representa um grande desafio para os métodos da química quântica molecular. No estudo dos
dímeros, em especial, Mg 2 mostramos a importância da inclusão dos elétrons internos nos
cálculos de correlação eletrônica para obter valores mais exatos das suas propriedades
espectroscópicas. Os valores obtidos do potencial de ionização e de afinidade eletrônica
mostram que essas duas propriedades são calculadas com razoável exatidão empregando
métodos do funcional densidade e que cálculos mais exatos são necessários para verificar a
eficiência relativa de todas essas classes de métodos usados, ou seja, PBE0, M06 e M06-2X.
Com esse tipo de trabalho esperamos adquirir maior proficiência na investigação de metais e
ligas metálicas com possíveis aplicações em engenharia aeronáutica.
Agradecimentos
CNPq, FAPESP, servidores do CTI-IEAv.
Referências
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183
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2,3). International Journal of Quantum Chemistry, v. 111, p. 103-110. 2011.
Art.33
184
FERRITAS CuxCo1-xFe2O4 - EFEITOS DA VARIAÇÃO
ESTEQUIOMÉTRICA NO COMPORTAMENTO
ELETROMAGNÉTICO
F. F. de Araújo1,2*; A. C. C. Migliano1,2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – Departamento de Engenharia Aeronáutica e
Mecânica, São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados - Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras–chave: ferritas, permeabilidade magnética, permissividade elétrica, histerese
magnética, propriedades magnéticas.
Introdução
As ferritas têm um papel importante nas aplicações tecnológicas devido às suas propriedades
eletromagnéticas, tais como permeabilidade magnética e permissividade elétrica complexas,
que dependem de sua microestrutura, ou seja, do contorno de grão, do seu tamanho médio e
de sua porosidade[1,2].
Maaz et al.[3] estudaram as propriedades magnéticas de nanopartículas da ferrita de cobalto
(15-48 nm) por meio da curva de histerese magnética utilizando um magnetômetro de
amostras vibrantes. A amostra apresentou uma magnetização de saturação de 68 emu/g a
temperatura ambiente. É necessário ter informações da curva de histerese magnética com
variações na estequiometria para uma devida comparação.
Para as ferritas CoFe2O4 e Co0,5Cu0,5Fe2O4 sinterizadas a 900°C, a parte real da
permeabilidade, medida em 1 MHz, fica entre 3,84 e 4,52, respectivamente. Este baixo valor
de permeabilidade é justificado pela alta porosidade medida nas amostras, que apresentaram
densidades relativas entre 3,19 e 4,91[4].
O objetivo do trabalho foi a síntese de ferritas de cobalto com variações de cobre e a avaliação
de seu comportamento eletromagnético.
Metodologia
A estequiometria escolhida foi CuxCo1-xFe2O4 (x = 0,7; 0,5 e 0,9). O método utilizado para a
preparação das amostras foi o reação do estado sólido. As amostras foram moídas e
misturadas em um almofariz durante 1 hora. Após a moagem, as amostras foram présinterizadas a 800°C por 4 horas. As amostras foram conformadas por prensagem uniaxial
em uma prensa manual, aplicando-se 50MPa. Os cilindros e pastilhas foram aquecidos a
300ºC por 4 horas, subindo para o patamar de 600ºC por 4 horas e em seguida sinterizados a
1200ºC por 6 horas com uma taxa de aquecimento de 200°C/h.
Foram feitas curvas de histerese magnética a temperatura ambiente utilizando um
magnetômetro de amostra vibrante modelo VSM 7400 da Lake Shore na frequência de 60 Hz.
Para a caracterização da permeabilidade magnética e da permissividade elétrica complexas em
temperaturas de -20°C a +70°C, e em baixa frequência, 40Hz a 110MHz, foi utilizado o
Método da Impedância[5]. Uma sonda modelo 42941A da Agilent Co foi conectada ao
analisador de impedância modelo 4294A da Agilent Co. A amostra foi colocada na sonda e
levada até a câmara de temperatura com controle de umidade modelo SH-241 da ESPEC.. A
umidade no interior da câmara foi programada para 30%.
185
As curvas de magnetização em função da intensidade do campo magnético informam sobre a
dureza dos materiais magnéticos. Quando um campo magnético é aplicado sobre um material
magnético suas paredes de domínio se movimentam e seus momentos magnéticos se alinham
na mesma direção do campo.
Para campos magnéticos baixos, este processo é reversível. Para campos magnéticos altos, o
processo é irreversível, assim, os momentos magnéticos não retornam a posição inicial
quando o campo é removido. Este fenômeno é conhecido como histerese magnética [6]. A
Figura 1-a apresenta a curva de magnetização da amostra Cu0,5Co0,5Fe2O4 em função do
campo magnético aplicado. A Figura 1-b apresenta a curva de magnetização da amostra
Cu0,7Co0,3Fe2O4 em função do campo magnético aplicado.
A curva de magnetização da amostra Cu0,5Co0,5Fe2O4 apresentou magnetização de saturação
de 56,40 emu/g.
A curva de magnetização da amostra Cu0,7Co0,3Fe2O4 apresentou um magnetização de
saturação de 49,03 emu/g. A Figura 1-c apresenta a curva de magnetização da amostra
Cu0,9Co0,1Fe2O4 em função do campo magnético aplicado.
A curva de magnetização da amostra Cu0,9Co0,1Fe2O4 apresentou uma magnetização de
saturação de 48,26 emu/g. Todas as amostras apresentaram curvas de histerese magnética
estreitas, que podem ser atribuídas a um mínimo na energia dos domínios magnéticos. A área
interna da curva de magnetização representa a perda de energia devido a imperfeições ou
impurezas no material[7].
Nota-se uma diminuição na magnetização de saturação com o aumento de óxido de cobre
(CuO) nas amostras. A Tabela 1 apresenta os valores do campo coercivo (Hc), magnetização
remanente (Mr) e da magnetização de saturação (Ms) das amostras.
Devido aos valores de campo coercivo (maiores que 125Oe), as amostras podem ser
consideradas materiais magnéticos moles[8].
Tabela 1. Valores do campo coercivo (Hc), magnetização remanente (Mr) e da magnetização
de saturação (Ms) das amostras.
Amostra
Ms (emu/g)
Hc (KOe)
Mr (emu/g)
Cu0,5Co0,5Fe2O4
56,40
107,45
4,63
Cu0,7Co0,3Fe2O4
49,03
94,04
3,55
Cu0,9Co0,1Fe2O4
48,26
77,45
3,27
186
60
60
Cu0,5Co0,5Fe2O4
Magnetização (emnu/g)
Magnetização (emu/g)
Cu0,7Co0,3Fe2O4
40
40
20
0
-20
20
0
-20
-40
-40
-60
-15,0k
-10,0k
-5,0k
0,0
5,0k
10,0k
-60
-15,0k
15,0k
Campo Magnético Aplicado (Oe)
-10,0k
-5,0k
5,0k
10,0k
15,0k
(b)
(a)
40
Magnetização (emu/g)
0,0
Campo Magnético Aplicado (G)
Cu0,9Co0,1Fe2O4
20
0
-20
-40
-15,0k
-10,0k
-5,0k
0,0
5,0k
10,0k
15,0k
Campo Magnético Aplicado (Oe)
(c)
Figura 1: Curvas de magnetização para as amostras de (a) Cu0,5Co0,5Fe2O4, (b)
Cu0,7Co0,3Fe2O4, e (c) Cu0,9Co0,1Fe2O4
8,0
Cu0,5Co0,5Fe2O4
7,5
Cu0,7Co0,3Fe2O4
7,0
Frequência: 100MHz
Cu0,9Co0,1Fe2O4
'
6,5
6,0
5,5
5,0
4,5
-20
0
20
40
60
80
Temperatura (°C)
Figura 2. Parte real da
permissividade (ɛ’).
Figura 3. Parte imaginária da
permissividade (ɛ”).
Nota-se que a magnetização remanente diminui com o aumento de CuO nas amostras. A
Figura 2 apresenta a parte real da permissividade elétrica (ɛ’) para todas as amostras em
função da temperatura, na frequência de 100MHz. A Figura 3 apresenta a parte imaginária da
187
permissividade (ɛ”) para todas as amostras em função da temperatura, na frequência de
100MHz.
Os valores da parte real da permissividade elétrica (ɛ’) aumentaram com o aumento da
temperatura para todas as amostras.
1,75
0,10
0,08
1,70
0,06
1,65
0,04
1,60
Cu0,7Co0,3Fe2O4
1,55
Frequência: 100MHz
0,02
Cu0,9Co0,1Fe2O4
''
'
Cu0,5Co0,5Fe2O4
0,00
Cu0,5Co0,5Fe2O4
-0,02
Cu0,7Co0,3Fe2O4
1,50
-0,04
1,45
Cu0,9Co0,1Fe2O4
Frequência: 100MHz
-0,06
-0,08
1,40
-20
0
20
40
60
80
Figura
4.
Parte
permeabilidade (µ’).
-20
0
20
40
60
80
Temperatura (°C)
Temperatura (°C)
real
da
Figura 5. Parte imaginária da
permeabilidade (µ”).
As amostras com x = 0,5 e 0,7 apresentaram um aumento na parte imaginária da
permissividade elétrica (ɛ”) e a amostra com x = 0,9 apresentou um decréscimo entre as
temperaturas -20°C e 0°C. A Figura 4 apresenta a parte real da permeabilidade magnética (µ’)
para todas amostras em função da temperatura, na frequência de 100MHz. A Figura 5
apresenta a parte imaginária da permeabilidade magnética (µ”) para todas amostras em
função da temperatura, na frequência de 100MHz.
Todas as amostras apresentaram um aumento na parte real da permeabilidade magnética (µ’)
com o aumento da temperatura. As amostras com x = 0,5 e 0,7 apresentaram um aumento na
parte imaginária da permeabilidade magnética (µ”) e a amostra com x = 0,9 apresentou um
decréscimo entre as temperaturas -20°C e +20°C.
Conclusões
Todas as amostras apresentaram curvas de histerese estreitas e possuem característica de
material magnético mole. A magnetização de saturação diminuiu com o aumento de CuO nas
amostras. As partes reais da permissividade elétrica e da permeabilidade magnética variaram
com o aumento da temperatura, porém com valores discretos. Não houve variações
significantes nas diferentes estequiometrias estudadas quanto à caracterização
eletromagnética.
Agradecimentos
Os autores agradecem a FAPESP (projeto 2012/01448-2) e a CAPES(projeto Pró-Estratégia
nº 26)
Referências
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Pequim 2007. PIERS 2007 Proceedings. Cambridge: Massachusetts Institute of Technology,
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Art.34
189
ANÁLISE MICROESTRUTURAL DE AÇOS AERONÁUTICOS
SUBMETIDOS A DIFERENTES TRATAMENTOS TÉRMICOS
1
M. Y. A. Itoyama1; A. J. Abdalla2
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá – FEG/UNESP Guaratinguetá-SP.
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv/DCTA, São José dos Campos-SP.
[email protected]
Palavras-chave: aço AISI/SAE 4350, caracterização microestrutural, propriedades
mecânicas.
Introdução
Foi utilizado neste estudo o aço multifásico de ultra-resistência AISI 4350, com médio teor de
carbono e baixa liga, devido as suas propriedades é indicado para aplicações aeroespaciais. O
trabalho visa analisar a relação entre as rotas de tratamentos térmicos realizadas e as
microestruturas formadas. É importante encontrar uma combinação adequada entre as
diversas frações volumétricas das fases na microestrutura, como ferrita, austenita retida,
bainita, martensita, que permita elevar a resistência mantendo níveis aceitáveis de ductilidade
e a tenacidade, este consiste em um dos principais desafios observado em pesquisas recentes.
Como em um aço multifásico as frações volumétricas das diferentes fases formadas
dependem diretamente das rotas de tratamentos térmicos escolhidas e aplicadas, uma melhor
compreensão da relação entre os parâmetros de tratamento térmico e a microestrutura formada
é importante. A análise das micrografias obtidas por microscopia óptica contribui para
entender esta relação. Ao aquecer um aço até uma temperatura correspondente a região
intercrítica, onde a ferrita e a austenita coexistem, é possível obter diferentes microestruturas
utilizando rotas de tratamento com velocidade de resfriamento variado [1].
A boa compreensão da contribuição das fases presentes em uma estrutura como a multifásica,
é importante, cada fase traz a sua contribuição, por exemplo, a fração de austenita retida
presente nos aços TRIP é imprescindível para melhorar a tenacidade deste tipo de estrutura.
Assim sendo, as propriedades mecânicas de aços TRIP estão estritamente relacionadas à
estabilidade mecânica da austenita retida, a qual por si mesma depende de vários fatores como
a quantidade de carbono e presença de estabilizadores como o Si ou o Mn [2,3]. Então,
quando a energia necessária para a ativação é induzida por deformação, a austenita retida
transforma-se em martensita melhorando significantemente as propriedades mecânicas, dentre
as quais, a capacidade de trabalho a frio do material [1]. A microestrutura bainítica, por sua
vez, em quantidades significativas, tem demonstrado exercer uma importante influência na
estrutura de novos aços, o que tem sido descrito prioritariamente de um modo enfático em
diversos trabalhos recentes, que têm recebido grande destaque, realizados por pesquisadores
como Bhadeshia e Caballero [4]. Dentre estes desenvolvimentos, encontram-se uma série de
aços bainíticos, constituídos de ferrita bainítica livre de carbonetos e austenita enriquecida em
carbono na microestrutura, os quais têm revelado extraordinárias propriedades mecânicas [5].
Tais pesquisas têm apontado que a bainita livre de carbonetos, também denominada como
ferrita acicular é, originalmente, a microestrutura ideal, pois devido à ausência de carbetos, o
aço possui uma alta resistência à fratura por clivagem e pelo mecanismo de formação de
vazios. E também, a resistência e a tenacidade podem ser melhoradas, por causa do tamanho
de grão ultrafino das placas de ferrita bainítica, e possível aumento adicional da tenacidade
em decorrência do efeito da plasticidade induzida pela transformação (efeito TRIP) [6].
190
Já, para os aços de ultra-resistência, com médio teor de carbono, como o aço AISI 4340 e o
AISI 4350, que apresentam resistências mecânicas elevadas e baixa tenacidade quando
submetidos à têmpera e ao revenimento, a obtenção de uma complexa estrutura multifásica,
quando submetidos a tratamentos térmicos específicos, pode permitir um aumento da
resistência aliada à tenacidade, o que melhora o seu desempenho [7]. Investigações com aços
4340 mostram que microestruturas constituídas de bainita-martensita apresentam, em certos
casos, uma melhor combinação entre resistência e ductilidade, quando comparadas ao
comportamento destes aços em uma condição completamente martensítica [8].
A literatura revela que, em associação com a martensita temperada, a bainita inferior é a
forma preferida de bainita escolhida para melhorar o comportamento mecânico, sendo a
quantia de aproximadamente 25% do volume de bainita inferior considerada uma ótima
proporção [9]. Um fato apontado como responsável por esta estrutura possuir valores de alta
resistência e tenacidade, maiores do que aos encontrados para a bainita superior, é que pelo
decréscimo da temperatura de transformação bainítica até a faixa de temperatura em que se
forma a bainita inferior, aproximadamente entre 200 oC e 300 oC, ou seja, temperaturas abaixo
de 350o C, o produto da transformação apresenta uma aparência acicular similar aquela da
martensita revenida, onde a fase ferrita existe na forma de placas finas e partículas estreitas de
cementita, na forma de bastões ou lâminas muito finas, se formam também no interior dessa
ferrita. Outro fato é que os carbetos poderão estar com melhor dispersão, o tamanho das
partículas de carbetos poderão ser menores e o número de partículas de carbetos no plano da
seção poderão ser maiores, o que conseqüentemente aumentará a resistência [10].
Um dos benefícios deste estudo é a economia de energia e recursos durante a manufatura de
componentes forjados, além do que, estes aços apresentam uma resistência a tração acima de
1000 MPa, equivalente a dos aços temperados e revenidos, sendo também possível empregálos em uma extensa escala de aplicações, em que a principal característica requerida seja o
desenvolvimento de partes estruturais leves [11]. Desta forma, o presente trabalho tem por
objetivo avaliar a influência que os diferentes intervalos de tempo de permanência, em uma
determinada temperatura de transformação bainítica, exercem nas frações volumétricas das
fases desenvolvidas, para obtenção das diversas microestruturas multifásicas em um aço AISI
4350, e sua posterior repercussão nas propriedades mecânicas.
Metodologia
A composição química para o aço AISI 4350, produzido pela Villares Metals S.A. e fornecido
para esta pesquisa, é apresentada na Tab.1.
C
0,501
Tabela 1 – Composição química para o aço AISI 4350.
Mn
Si
Cr
Mo
Ni
0,70
0,20
0,80
0,24
1,71
P
0,008
S
0,012
Inicialmente, corpos de prova (CDP’s) do aço AISI 4350 foram confeccionados de acordo
com a norma ASTM E8, para ensaios de tração.
Os corpos de prova foram submetidos aos seguintes tratamentos térmicos:
1. Recozimento: aquecidos a 850ºC por 900s e resfriados ao forno.
2. Têmpera e Revenimento: aquecimento a 850oC, mantido por 900s, sendo em seguida,
realizada uma têmpera em óleo. Posteriormente, foram mantidos em um forno a 210oC por 2
horas.
3. Isotérmico (280ºC): aquecimento a 850oC, mantido por 900 s, transferido para um outro
forno a 280oC, mantido por 1800s, e resfriado em água;
A determinação teórica das temperaturas de início das transformações martensíticas ajuda a
delimitar a faixa de temperatura em que ocorre a transformação bainítica [12].
191
Para cada condição de tratamento térmico adotado foi preparada uma amostra, pela execução
dos procedimentos metalográficos, que consiste de: corte, embutimento, lixamento e
polimento. A caracterização microestrutural foi realizada através da técnica de tríplice ataque,
onde foram utilizados os reagentes: nital 2%; solução aquosa de metabissulfito de sódio 10%;
e reagente LePera, que consiste da mistura entre duas soluções, sendo: solução aquosa de
metabissulfito de sódio 1% e solução de ácido pícrico em etanol 4% [13,14].
Em associação, as fases presentes foram quantificadas após análise das imagens, obtidas por
microscopia óptica, de acordo com o que prescreve a norma ASTM E-1382, fazendo-se uso
do software AxioVision Rel.4.8. Os ensaios de tração foram realizados no Laboratório de
Ensaios Mecânicos da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá - UNESP, e o equipamento
utilizado foi uma Máquina de Ensaio Universal modelo INSTRON 8801, servo-hidráulica,
com célula de carga de 100 KN.
As micrografias da Fig.1 mostram o aspecto das microestruturas após os tratamentos térmicos
de recozimento (Fig.1.a), onde a fase clara é ferrita e austenita e a escura perlita, a Fig.1.b,
temperada e revenida, mostra a estrutura típica de martensita e na Fig.1.c, a estrutura formada
no tratamento isotérmico, bainita.
a
b
c
Figura 1(Microscopia Optica): microestruturas atacadas com nital 2%: (a) ferrita/perlita,
(b) martensita e (c) bainita.
As micrografias da Fig.2 ilustras o aspecto das mesmas amostras anteriores atacadas com
solução de metabissulfito de sódio 10%, utilizado para destacar a presença de austenita retida,
que aparece com coloração clara.
a
b
a
c
Figura 2(Microscopia Optica): microestrutura atacada com Metabissufito de sódio 2%:
(a) ferrita/perlita, (b) martensita e c) bainita.
O reagente LePera tem como principal finalidade identificar a fase bainítica, As imagens da
Fig.3 destacam a fase marrom (3.a) predominante devido ao tratamento isotérmico a 280ºC e
na estrutura martensítica algumas agulhas de bainita formada (3.b).
192
a
b
Figura 3 (Microscopia Optica): ataque Le Pera – (a) destacando a bainita - fase marrom e
(b) mostrando as agulhas de bainita presentes na estrutura martensítica.
Em função das imagens e com a utilização do software Image J, foi possível a determinação
do percentual de cada fase presente, a Tab.2 mostra os resultados obtidos.
Tabela 2 – Percentual correspondente às frações volumétricas das fases ferrita, austenita
retida, bainita e martensita.
Tratamentos Térmicos
1.Recozimento
2.Têmpera/Revenimento
3. Isotérmico 280ºC
Ferrita
%
29,0 ± 8,0
3,6 ± 1,2
5,4 ± 2,2
Perlita %
64,4 ± 8,0
-
Austenita
Retida %
3,8 ± 1,5
4,2 ± 0,6
6,1 ± 0,5
Bainita
%
3,5 ± 1,0
78,6 ± 10,2
Martensita
%
2,8 ± 1,5
88,7 ± 4,6
9,9 ± 0,5
Observa-se, a partir da tab.2 que as microestruturas predominantes no tratamento de
recozimento é a perlita e ferrita, na têmpera, a martensita e no tratamento isotérmico a bainita.
Estes componentes terão influência nas propriedades mecânicas, conforme mostrado na
Tab.3.
Tabela 3 – Propriedades mecânicas para as três condições de tratamento estudadas.
Tratamentos Térmicos
1.Recozimento
2.Têmpera/Revenimento
3. Isotérmico 280ºC
Limite de
Escoamento (MPa)
535 ± 21
1364 ± 27
1108 ± 32
Limite de Resistência
(MPa)
1124 ± 25
1914 ± 33
1771 ± 28
Alongamento
%
12,6 ± 0,8
2,8 ± 0,4
10,1 ± 0,7
Observa-se pela Tab.3 que as estruturas bainíticas e martensíticas elevam substancialmente os
níveis de resistência do aço 4350, comparados com a estrutura perlítica/ferrítica. No entanto é
importante ressaltar que há uma grande redução na ductilidade do aço temperado, indicando
que esta necessitaria de um revenimento por um tempo mais prolongado ou uma temperatura
mais elevada. A Estrutura bainítica seria a estrutura mais indicada, entre as três condições
estudadas, pois além do aumento dos limites de escoamento e resistência, mantém uma boa
ductilidade, indicando que houve melhoria na tenacidade.
Conclusões
Os tratamentos térmicos aplicados mostraram-se eficientes para a formação de diferentes
microestruturas no aço 4350. Através das três rotas propostas ocorreu a formação de
estruturas com diferentes frações volumétricas de ferrita, perlita, martensita, bainita e
austenita retida. Na estrutura recozida, houve predomínio do constituinte perlítico (64,4%) e
da fase ferrita (29%). Na estrutura do aço temperado e revenido observou-se um predomínio
da fase martensita (88,7%), com elevação na resistência à tração, porém com perda na
ductilidade. Na estrutura resfriada isotermicamente a 280ºC o predomínio foi do constituinte
bainítico (88,7%), com aumento na resistência a tração e manutenção do alongamento, sendo
193
a estrutura mais indicada para elevar os níveis de resistência sem perda da tenacidade. Este
trabalho contribui para mostrar como os diferentes ataques químicos podem ajudar na
identificação das diferentes fases presentes no aço e analisar como a fração volumétrica destas
fases influencia nas propriedades mecânicas, possibilitando, desta forma, a programação de
roteiros de tratamentos térmicos que levarão às propriedades desejadas, para cada tipo de
aplicação.
Agradecimentos
Os autores agradecem ao CNPq(bolsa PIBIC), ao IEAv e a CAPES (Pró-Defesa Proc.14/08),
ao IEAv pela oportunidade e ao ITA pelo apóio recebido.
Referências
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changes as a consequence of quasi-static and dynamic tensile testing, Mater. Charact. 58
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deformed microstructures in transformation induced plasticity steels using electron
backscattering diffraction, Mater. Sci. Eng. A 528 (2011) 5007-5017.
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TRIP-assisted multiphase steels: I. Characterization and mechanical testing, Acta Mater. 55
(2007) 3681-3693.
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Properties. London: The Institute of Materials 1 Carlton House Terrace, 1992. 450p.
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Theoretical design and advanced microstructure in super high strength steels, Mater. Design
30 (2009) 2077-2083.
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properties of a non-quenched bainitic steel, Mater. Sci. Eng. A 527 (2010) 3433-3437.
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microestrutural de aços multifásicos por técnica de tríplice ataque, 17 CBECIMat – Congresso
Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do
Iguaçu, PR, Brasil.
[14] R. M. Anazawa, A. J. Abadalla, T. M. Hashimoto, M. S. Pereira, Efeito dos tratamentos
intercrítico e isotérmico sobre as propriedades mecânicas e a microestrutura no aço 300M,
Revista Brasileira de Aplicações de Vácuo 25 (2006) 93-97.
Art.35
194
DETERMINAÇÃO DA FOTOCORRENTE EM DISPOSITIVOS
DETECTORES DE INFRAVERMELHO BASEADOS EM POÇOS
QUÂNTICOS1
1
D. M. Pedroso1,2*; A. Passaro1
Instituto de Estudos Avançados –Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos – SP
2
Universidade Estadual Paulista - UNESP, Guaratinguetá – SP
*[email protected]
Palavras-chave: QWIP; programação orientada a objetos.
Introdução
O desenvolvimento de ligas semicondutoras e a engenharia de bandas permitiu o
desenvolvimento de uma série de dispositivos nanoestruturados baseados em tecnologia de
poços, pontos e fios quânticos. Exemplo desta aplicação são os detectores de infravermelho
baseados em transições eletrônicas intrabanda.
Neste trabalho, apresentamos um modelo utilizado para cálculo de fotocorrente em
dispositivos detectores de infravermelho baseados em poços quânticos (QWIP – Quantum
Well Infrared Photodetector) e uma ferramenta computacional desenvolvida para esta tarefa.
Dispositivos QWIPs são alternativas interessantes para aplicações em medicina, proteção
ambiental, telecomunicações e segurança. São construídos por meio de deposição intercalada
de camadas de ligas semicondutoras com diferentes energias de gap, de forma que após o
alinhamento das bandas é formada uma estrutura de poços e barreiras. Em estruturas típicas
de QWIPs existem de 40 a 50 períodos de poços e barreiras, onde o tamanho é definido por
meio das características desejadas para a estrutura e do perfil de banda projetado. Para o
presente trabalho a estrutura de interesse é formada por poços retangulares de barreiras
simétricas. Os poços possuem dopagem tipo-n de tal forma que todo o processo de detecção
ocorre na banda de condução. Abaixo apresentamos uma figura representativa da estrutura
considerada, assim como o perfil da banda de condução de um período da heteroestrutura.
(a)
(b)
Figura 1. (a): representação da deposição de camadas das ligas semicondutoras de forma
intercalada formando as barreiras (AlGaAs) e o poço (GaAs). (b): perfil da banda de
condução com representação da função densidade de probabilidade para o primeiro e segundo
estado.
1
Projeto: Desenvolvimento de dispositivos semicondutores para aplicações espaciais, proc. CNPq nº.
559908/2010-5.
195
As estruturas são projetadas de tal forma que o primeiro estado excitado do poço possua
energia ressonante com a altura da barreira, conforme pode ser visto na Figura 1(b). Esta
configuração dos estados garante uma melhor detectividade ao sensor [1].
O princípio de funcionamento do dispositivo considerado neste trabalho é baseado na
excitação de elétrons do estado fundamental para o primeiro estado excitado via interação
com fótons de energia igual a diferença de energia entre os estados. O elétron excitado é
transportado por aplicação de campo elétrico na estrutura. Este princípio de funcionamento
permite uma estreita banda de absorção tendo como pico de detecção os fótons com energia
correspondente a diferença entre o estado fundamental e o primeiro estado excitado.
A temperatura de operação dos QWIPs é determinada pelo nível de ruído térmico, gerado por
espalhamento fônon-assistido. Quanto maior a temperatura, maior o espalhamento térmico e,
consequentemente, o ruído do dispositivo. Outras fontes de ruído podem estar presentes na
estrutura como a geração e recombinação de pares. Detalhes sobre efeitos térmicos e geração
de corrente de escuro (corrente detectada sem a incidência de fótons) podem ser encontrados
em [2, 3].
Neste trabalho apresentamos o modelo físico envolvido no cálculo de fotocorrente e uma
ferramenta computacional desenvolvida para a realização deste cálculo.
Metodologia
O processo físico de formação de fotocorrente pode ser descrito como um processo de
absorção de fótons e consequente excitação dos elétrons do estado fundamental para estados
excitados. O estado final do elétron excitado depende da energia do fóton incidente. As
probabilidades de transição devido ao espalhamento por fótons são determinadas pelo cálculo
das forças de oscilador. Mais informações estão disponíveis em [4].
O elétron excitado é transportado através da estrutura, devido à ação de campo elétrico
aplicado. Ao longo desse transporte, o elétron sofre espalhamento por fônons da estrutura e
por defeitos existentes na interface entre as camadas de material da barreira e do poço. O
espalhamento na interface possibilita com que o elétron seja relaxado para o estado
fundamental (no interior do poço). Este processo é parte de um mecanismo denominado
ganho fotocondutivo. Para elétrons excitados termicamente existe um mecanismo análogo
denominado ganho de ruído. A expressão para o ganho fotocondutivo é dado por [5]:
(1)
onde N é o número de poços da estrutura e pc é a probabilidade de captura de um elétron na
região do poço. O parâmetro pc depende de características da estrutura (material, perfil da
banda) e da tensão aplicada. De forma geral, quanto maior a tensão aplicada no dispositivo
menor a probabilidade de captura. Estudos específicos sobre este parâmetro podem ser
encontrados em [6].
O cálculo da fotocorrente é dado pela seguinte equação:
(2)
onde ϴ é o fluxo de fótons incidentes, gp é o ganho fotocondutivo, e é a carga do elétron e η é
o coeficiente de absorção da estrutura. Para uma estrutura contendo uma série de poços
simples (retangulares com barreiras simétricas) idênticos, temos que η=Nη(1), onde η(1) é o
coeficiente de absorção para um único poço. Esta consideração é válida para baixas tensões
aplicadas.
O parâmetro de coeficiente de absorção é dado por:
196
(3)
onde h é a constante de Planck, ψ(f,i) é a função de onda do estado final e inicial, E é a
energia do estado correspondente, ν é a frequência do elétron incidente e Hint é a
hamiltoniana de interação do fóton com o elétron. A hamiltoniana de interação utiliza uma
aproximação de dipolo elétrico e baixo fluxo de fótons incidentes (não existem efeitos de
segunda ordem). A expressão final para o coeficiente de absorção considerando a estrutura de
poços retangulares de barreiras simétricas é dado por:
(4)
onde: ξ (ξ0) é o coeficente de permissividade elétrica do material do poço (vácuo), m é a
massa efetiva do elétron no poço, c é a velocidade da luz, n2d é a concentração bidimensional
dos portadores no poço, fosc é a força de oscilador no sistema, δE é um parâmetro empírico
de alargamento de linha. O ângulo θ é o ângulo de incidência do fóton com o eixo de
crescimento do dispositivo. A dedução completa desta equaçao encontra-se em [7]. O
parâmetro δE refere-se aos diversos mecanismos possíveis de alargamento de linha no
espectro de absorção do dispositivo, e depende de características empíricas da estrutura.
Uma ferramenta computacional foi implementada para realização do cálculo da fotocorrente
em QWIPs. A implementação foi efetuada utilizando-se de paradigma de programação
orientada a objetos. A ferramenta implementada está inclusa na forma de um módulo
computacional no software QWS [8, 9]. No diagrama abaixo são apresentadas as classes
correspondentes a esta implementação:
Figura 2. Diagrama de classes criado para implementação do modulo de cálculo de
fotocorrente.
Apresentamos a seguir resultados simulados considerando um dispositivo com as seguintes
características (dispositivo denominado SP3517SP):
197
SP3517SP2
Al0.205Ga0.795As 300Å
GaAs – 56,5Å
Poço – 1018 cm-3
50
400μm x 400µm
Barreiras
Poços
Dopagem
Número de períodos
Área do QWIP
A seguir são apresentados resultados obtidos variando a tensão aplicada no dispositivo sem
utilizar correção das energias em função do campo elétrico aplicado na estrutura.
1.2
Fotocorrente [A]
SP3517SP2
V=1.2v 
V=2v 
0.8
V=2.5v 
V=3.2v 
0.4
0
0x100
4x10-6
8x10-6
1x10-5
2x10-5
Comprimento de onda [m
Figura 3. Resultados de fotocorrente considerando-se variação da tensão aplicada sem
correção das energias dos estados presentes na estrutura.
Quando os estados do sistema são recalculados para cada valor de tensão aplicada no sistema,
considerando fluxo de fótons incidentes Φ=5.109 s-1, encontramos:
Fotocorrente [A]
0.4
SP3517SP2
V=0.01v
V=0.1v
V=0.5v
V=1v
V=1.5v
V=2v
0.3
0.2
0.1
0
4E-006
6E-006
8E-006
1E-005 1.2E-005 1.4E-005
Comprimento de onda [m]
Figura 4. Resultados de fotocorrente considerando-se variação da tensão aplicada com
correção das energias dos estados presentes na estrutura em função do valor de tensão.
Os resultados obtidos na figura 4 estão qualitativamente de acordo com o apresentado em [4].
Esta alteração no pico de absorção está associado a mudança da posição dos estados com a
tensão aplicada e ao surgimento de mais estados associados a estrutura.
O parâmetro δE geralmente é usado como variável de ajuste da curva. Podemos verificar o
efeito da variação deste parâmetro no resultado da fotocorrente:
198
Fotocorrente [A]
1
SP3517SP2
V=2.2v 
V=2.2v 
0.8
V=2.2v 
V=2.2v 
0.6
0.4
0.2
0
4E-006
6E-006
8E-006
1E-005 1.2E-005 1.4E-005
Comprimento de onda [m]
Figura 5. Resultados de fotocorrente considerando-se variação do parâmetro empírico de
alargamento de linha δE.
O alargamento do espectro da fotocorrente torna-se mais significativo com o aumento de δE,
sendo que valor máximo absoluto do espectro diminui. Verifica-se nesse caso o efeito
negativo da presença de defeitos na estrutura. Conforme citado em [10], um baixo valor de
fotocorrente irá afetar a detectividade do dispositivo.
A temperatura não possui efeito significativo no cálculo da fotocorrente, a energia de Fermi
encontra-se acima do estado fundamental, onde praticamente não há mudanças no número de
portadores do poço com a variação da temperatura.
Conclusões
O modelo físico considerado é válido somente para estruturas simples formadas por uma série
de poços e barreiras idênticos. A aplicação deste modelo em outras estruturas deverá ser
analisada em cada caso.
A ferramenta computacional está concluída e liberada para utilização em projetos de
nanoestruturas fotodetectoras. Na figura a seguir é apresentada a interface da ferramenta.
Figura 6. Interface da ferramenta de cálculo de fotocorrente.
199
Agradecimentos
Ao CNPQ/AEB pelo financiamento do projeto no559908/2010-5 e pelas bolsas ITI-A
180248/2012-0 e bolsa produtividade 310578/2012-4.
Referências
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Optoelectronics Conference, 914 (2007).
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1251 (1998).
Art.36
200
DETECÇÃO DE PISTA DE POUSO DE CONCRETO OU ASFALTO EM
IMAGENS DE MÉDIA E ALTA RESOLUÇÃO UTILIZANDO FEIÇÕES
HAAR-LIKE EM CASCATA
J. E. C. Cruz1*, E. H. Shiguemori2, L. N. F. Guimarães3
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, São José dos Campos – SP.
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv, Divisão de Geointeligência, S. J. dos Campos - SP
3
Instituto de Estudos Avançados – IEAv, Divisão de Energia Nuclear, S. J. dos Campos - SP
*
[email protected]
1
Palavras-chave: VANT, processamento de imagens, reconhecimento de padrões, visão
computacional
Introdução
Imagens de satélite de média ou alta resolução espacial permitem que a maioria dos objetos
possam ser identificados por especialistas. Alguns objetos são de fácil reconhecimento visual,
outros somente com experiência adquirida ao longo do tempo. No entanto, hoje em dia muitas
aplicações apresentam a necessidade de realizar o reconhecimento automático de objetos
presente nessas imagens.
Um exemplo de uso dessa abordagem é em plataformas VANTs (Veículo Aéreo Não
Tripulado) que atualmente estão passando por um forte crescimento, principalmente pela
utilização em aplicações militares, policiais e civis [1]. Reconhecimento de pistas de pouso é
uma tarefa importante a ser desempenhada em VANTs, pois estes podem utilizar para pouso,
combate ou procedimento de autolocalização [2]. Geralmente, grandes e médias cidades e
bases aéreas possuem pistas de pouso feitas de concreto ou asfalto. A fim de realizar
reconhecimento de pistas de pouso, feições Haar-like em cascata foram utilizadas neste
trabalho. Essa abordagem tem sido utilizada com mais frequência em outras áreas de
aplicação, como será apresentado na Seção 2. Além da possível utilização em sistemas
autônomos, uma abordagem de detecção automática possui a vantagem de se eliminar total ou
parcialmente o emprego de um operador humano em aplicações de fins gerais. Para um
humano a detecção de objetos em imagens aéreas ou orbitais é cansativo e altamente
suscetível a erro, pois além de ser uma tarefa entediante, há geralmente uma grande
quantidade de informação a ser analisada, e ainda, em certos casos, há a necessidade de que o
responsável pela tarefa tenha sido especialmente capacitado para o devido fim. As principais
dificuldades encontradas na detecção automática de objetos nas abordagens utilizadas são que
as imagens foram obtidas por diferentes tipos de sensores, os objetos podem estar em
diferentes poses e podem também ter sofrido transformações geométricas, entre outros.
Trabalhos Relacionados
Desde a sua criação, as feições Haar-like em cascata, tem mostrado ser um classificador
robusto e é considerado ser uma abordagem de propósito geral apesar da maioria das
utilizações serem para o reconhecimento de feições humanas, especialmente para a detecção
de faces. O primeiro trabalho a empregar as feições Haar-like em cascata para a detecção de
objetos foi [3], e subsequentemente a robustez dessa abordagem foi demonstrado no trabalho
[4]. A fim de se criar um detector de faces mais robusto e ao mesmo tempo rápido, [5] propôs
uma abordagem com três estágios, onde um dos estágios empregava-se Haar-like em cascata.
No trabalho [6] propõese um método para se reduzir drasticamente os falsos positivos no
201
processo de reconhecimento, onde primeiro descobri-se estatisticamente a região em que cada
feição mais aparece e em seguida, aplica-se Haar-like em cascata somente em determinadas
regiões. Devido ao alto custo computacional do treinamento da cascata de classificadores, [7]
propõe uma abordagem que agiliza o treinamento como também a classificação em aplicações
de reconhecimento facial. Propondo um detector de faces que possui dois estágios, [8]
emprega o Haar-like em cascata no primeiro estágio, utilizando, assim uma outra abordagem
para realizar a confirmação no segundo estágio. Há, no entanto, outros trabalhos que
executam a detecção ou reconhecimento de objetos em que estes não sejam faces. Em [9]
propõe-se um sistema de dois estágio de reconhecimento de gestos manuais, onde Haar-like
em cascata é utilizado no primeiro estágio para realizar a detecção das diferentes poses.
Existem também trabalhos que empregam o uso de imagens de VANTs, como em [10] e [11]
em que se realiza o reconhecimento de perfis humanos ou carros tanto em imagens óticas
quanto termais.
Existem trabalhos que visam reconhecer especificamente pistas de pouso, mas que utilizam
outras abordagens. Devido ao fato de que uma pista de pouso é uma linha reta, alguns
trabalhos empregam o operador Canny em conjunto com a transformada de Hough para tal
tarefa[12,13,14].
Feições Haar-like em cascata
Feições Haar-like são atributos extraídos de imagens e possuem esse nome devido a
similaridade com wavelets Haar [15]. Em [16] foi proposto a utilização dessas feições ao
invés de operar diretamente com os níveis de cinza ou de cor dos pixels[3].
O processo começa somando-se o valor dos pixels nas regiões positivas e negativas do filtro,
ou seja, a região branca e preta respectivamente que podem ser vistas na Figura 1. O resultado
da subtração da região positiva pela região negativa é utilizado para categorizar as sub-regiões
em uma imagem. Uma única feição é considerada um classificador fraco, mas quando
colocada em cascata, a combinação se torna um classificador forte (Figura 2) com um alto
poder de discriminação, capaz de detectar estruturas independente a iluminação, cor ou escala
[4]. Apesar de parecer que o método executa uma busca exaustiva, a arquitetura interna
possibilita uma rejeição precoce com o mínimo de avaliação possível, diminuindo, assim,
drasticamente o custo computacional. Isto é baseado no fato que a maioria das janelas de
detecção são negativas e existem “poucas” janelas que conseguem passar por todas as etapas.
Portanto, o poder computacional é focado nas janelas que possuem a maior probabilidade de
ser positivas, uma vez que elas já passaram pelos estágios iniciais da árvore de decisão [9,3].
Em qualquer janela dentro da imagem, existe um número enorme de feições Haar-like. É
necessário, portanto, durante a fase de treinamento, focar em um conjunto pequeno de feições
cruciais, no intuito de melhorar significativamente a velocidade de classificação sem afetar a
precisão. Boosting[17], um algoritmo de aprendizado muito eficaz e com alto poder de
generalização, é então responsável por resolver esse problema[3].
Figura 1. Feições Haar-like [20].
202
Figura 2. Classificador de Feições Haar-like em cascata.
Metologia
Dois conjuntos de treinamento foram utilizados. O primeiro é composto de imagens com alta
resolução espacial, onde 2040 amostras são positivas (Figura 3) e 1600 negativas. Todas as
imagens foram obtidas através da aplicação Google Maps[18] onde as amostras positivas
continham pistas de pouso de concreto e asfalto de diferentes partes do mundo. Um fato
importante a se destacar é que essas imagens possuem marcas d’água com o logotipo do
Google e o ano de captura da imagem, distribuídas por toda a imagem. O segundo conjunto é
composto de imagens com média resolução espacial, onde 1200 amostras são positivas
(Figura 4) e 1000 negativas. Todas as amostras foram recortadas de imagens da banda
pancromática do Landsat-7 e eram de pistas de pouso de cidades brasileiras. Nos
procedimentos que envolviam esse conjunto de dados, treinamento e classificação, se viu a
necessidade de realizar uma equalização de histograma devido ao baixo contraste presente nas
amostras. Ambos os conjuntos positivos foram construídos rotacionando os recortes originais
40 vezes, 9 graus cada vez. Devido a limitações de memória, o tamanho da amostra positiva
deve ser no máximo 50x50 pixels. Dois tamanhos foram então utilizados, o tamanho máximo
(50x50px) e 32x32 pixels. As amostras negativas não foram redimensionadas, pois durante o
estágio de treinamento fragmentos são extraídos sistematicamente das amostras desse
conjunto.
Figura 3. Amostras positivas do conjunto de treinamento de imagens de alta resolução[18].
Figura 4. Amostras positivas do conjunto de treinamento de imagens da banda pancromáticas
do Landsat-7[19].
O classificador feições Haar-like em cascata foi treinado com 20 estágios, taxa mínima de
acerto de 0,999 por estágio e utilizou-se Gentle AdaBoost como algoritmo de boosting[20].
203
Resultados
Duas métricas [21] foram utilizadas para medir a performance dos classificadores gerados. As
métricas são: Taxa de Acerto (Eq. 1) e Precisão (Eq. 2).
TA 
VP
VP  FN
(1)
VP
(2)
VP  FP
onde Verdadeiro Positivo (VP) são pistas de pouso corretamente reconhecidos, Falsos
Positivos (FP) são regiões da imagem que foram erroneamente classificadas como pista de
pouso e Falsos Negativos (FN) são pistas de pouso não reconhecidas.
Para o teste de classificação, 46 imagens, contendo 46 pistas de pouso no total, foram
processadas pelos classificadores específicos de alta resolução (HR) e 30 imagens, contendo
30 pista de pouso no total, foram processadas pelos classificadores específicos de média
resolução (MR). Os resultados de classificação e os índices de performance são mostrado na
Tabela 1.
Tabela 1. Resultado da classificação.
Conjunto VP TA
FP FN Precisão
HR 32px 37 80.4% 27 9
57.8%
HR 50px 38 82.6% 10 8
79.2%
MR 32px 9
30%
21 21
30%
MR 50px 8
26.7% 22 22
27%
Precisão 
Conclusão
Neste trabalho, é proposto uma abordagem para o reconhecimento de pistas de pouso de
concreto e asfalto utilizando feições Haar-like em cascata aplicadas a imagens de alta e média
resolução espacial. Nos trabalhos anteriores foram obtidos ótimos resultados e neste trabalho
confirma sua aplicabilidade para a detecção de pistas de pouso, especialmente em imagens de
alta resolução.
Há alguns pontos a se destacar a respeito da performance de classificação: a taxa de acerto no
conjunto de média resolução foi extremamente baixa e a precisão do classificador HR 50px
foi muito melhor do que o classificador HR 32px. A possível explicação para os pontos
levantados é a resolução das imagens. A falta de detalhes críticos nas pistas de pouso, é uma
possível explicação porque os classificadores de média resolução tiveram uma performance
tão pobre. Um outro ponto a se notar é que as marcas d’água presentes nas imagens de
treinamento de alta resolução tiveram pouco ou nenhum impacto na performance do
classificador, devido principalmente à arquitetura interna do classificador.
Referências
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Flying Robots: Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles. Springer.
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Features for Landmarks Recognition on UAV Navigation. Anais do XIV Simpósio Brasileiro
de Sensoriamento Remoto.
[3] Rodrigues, R., Shiguemori, H., Forster, C., and Pellegrino, S. (2009). Color and Texture
Features for Landmarks Recognition on UAV Navigation. Anais do XIV Simpósio Brasileiro
de Sensoriamento Remoto.
204
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Detection from UAV Imagery. Proc. SPIE Conference Intelligent Robots and Computer
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Art.37
205
ESTUDO DA REFLECTÂNCIA DE MATERIAIS NA REGIÃO DO
VISÍVEL E INFRAVERMELHO PRÓXIMO DO ESPECTRO
ELETROMAGNÉTICO1
P. S. Silva Jr.1,2*; M. S. Moraes1,2; R. M. Castro1,2
Universidade de Taubaté - Departamento de Matemática e Física, Taubaté – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: Sensoriamento Remoto, Assinatura Espectral, Comprimento de Onda,
Radiação Eletromagnética.
Introdução
O Sensoriamento Remoto é a tecnologia que utiliza um sensor remoto para coletar e processar
informações de superfícies, sem que ocorra contato físico direto [1]. Estes dados podem ser
obtidos de forma: a) passiva, com sistemas de sensores ópticos (com um número variado de
sensores: multiespectral, hiperespectral, etc.); e b) ativa, com um radar ou sonar, por exemplo.
As informações coletadas são fornecidas em resoluções: espacial (medida da menor separação
angular e linear entre dois objetos), espectral (número de intervalos de comprimentos de onda
específicos no espectro eletromagnético), temporal (refere-se à quão frequentemente o sensor
registra os dados), e radiométrica (sensibilidade do detector a potência do sinal quando ele
está registrando o fluxo radiante refletido, emitido ou retroespalhado) [1].
Mais especificamente, na faixa do espectro eletromagnético óptico (visível, infravermelho
próximo e infravermelho médio), a radiação proveniente de um determinado material (quando
a sua temperatura é da ordem de 300 K) é, predominantemente, a refletida. Com isto uma das
grandezas de interesse no sensoriamento remoto óptico é a curva reflectância, também
chamada de assinatura espectral, ou seja, a reflectância em função dos diferentes
comprimentos de onda. Esta curva é considerada como uma “identidade” dos objetos ou
corpos encontrados na natureza, pois as respostas espectrais encontradas são diferentes para
cada uma dessas substâncias [1].
Para que essas assinaturas espectrais sejam estudadas, a reflectância (representada pela letra
grega  que é definida pela razão da quantidade de fluxo radiante refletido pela área de
estudo, pelo fluxo radiante incidente sobre essa superfície, deve ser conhecida e obtida por
meio de medições realizadas em laboratório ou em campo.
A reflectância é uma grandeza adimensional, variando entre 0 e 1 para todos os materiais e na
literatura ela é fornecida de forma percentual [1]. Esta grandeza também pode ser determinada
para um comprimento de onda específico . Com isto obtemos a reflectância espectral, ,
que é a quantidade de fluxo radiante refletido  refletido , dividida pelo fluxo radiante incidente
sobre essa superfície, incidente , , em um determinado comprimento de onda:
 
refletido ,
incidente ,
1
Projeto: Assinaturas espectrais na região do infravermelho-termal para caracterização de sensores eletroópticos
a bordo de satélites. Edital MCT/CNPq/AEB nº 33/2010.
II SCTI – Anais do II Simpósio de Ciência e Tecnologia do IEAv, v.1, p.206-211 2013
206
Para representar corretamente a reflectância de um material, os ângulos (azimutais e zenitais)
de incidência e reflexão da radiação eletromagnética devem ser considerados. Com isso,
obtemos o Fator de Reflectância Bidirecional (i,i,r,r), como apresentado na Figura 1 [1].
Figura 1: Relações angulares da Função de Distribuição da Reflectância Bidirecional [2].
Este projeto tem por objetivo iniciar o desenvolvimento de uma metodologia para a
determinação de assinaturas espectrais de superfícies, mais especificamente do Fator de
Reflectância Bidirecional, (i,i,r,r), na região do espectro eletromagnético do visível e
infravermelho próximo, ou seja, comprimentos de onda entre 400 e 2500 nm. Entretanto, para
esta etapa do projeto espera-se conhecer os equipamentos (suas principais características e
limitações) e o arranjo experimental a ser utilizado, além de selecionar os materiais de
interesse, bem como as condições de contorno para a realização das medições destes
materiais.
Além disso, como objetivo secundário, busca-se identificar materiais que possam ser
utilizados na caracterização de sensores eletroópticos, aeroembarcados e a bordo de satélites,
em campo.
Metodologia
Para a realização das medições de reflectância, foram utilizados: a) um espectrorradiômetro
FieldSpec Pro da ASD [3], que é “alimentado” por meio de bateria (que pode, ou não, estar
conectada a rede elétrica) com autonomia de aproximadamente 3 h, quando desconectado da
rede elétrica. A aquisição de dados era controlada de forma automática por um notebook;
b) uma lâmpada halógena de tungstênio de 50 W, montada em um suporte com fonte de
tensão própria, conectado a rede elétrica; e c) uma placa de Spectralon [4] como referência.
Em geral a geometria de aquisição de dados foi montada conforme a Figura 2. Neste arranjo o
sensor do espectrorradiômetro era apontado ao nadir (verticalmente para baixo) e posicionado
a uma distância de 30 cm do material a ser estudado. A fonte luminosa, lâmpada de
tungstênio, era posicionada obliquamente a 60o graus do material.
Inicialmente, realizaram-se medições para verificar o comportamento da reflectância na placa
de Spectralon, utilizada como referência, e em cartolinas de diversas cores para verificação e
interpretação das assinaturas espectrais desses materiais, além de obter um contato inicial com
os equipamentos utilizados.
207
Figura 2: Arranjo utilizado nas medições de reflectância.
Para verificar o comportamento, tanto dos equipamentos quanto da reflectância de materiais
específicos, ao longo do tempo, foram realizadas medições na geometria fixa, por
aproximadamente 2 horas. Para essas medições, além do arranjo descrito anteriormente,
foram utilizados outros equipamentos para acompanhar parâmetros da aquisição dos dados.
Dentre os equipamentos utilizados podemos citar: a) um termohigrômetro, da marca Delta
Ohm, com datalog automático, para medição de temperatura e umidade do ar; b) um
termohigrômetro, da Oregon Scientific, para medição de temperatura e umidade do ar, com as
informações anotadas manualmente; c) Um voltímetro e um amperímetro da MINIPA foram
utilizados nas medições da tensão e da corrente da lâmpada halógena; e d) Um voltímetro, da
marca MASTECH, para verificar a tensão e a frequência da rede elétrica.
Como materiais de estudo da reflectância de eventuais superfícies de referências foram
escolhidos: a) uma cartolina branca; e b) uma placa metálica de CPU. A escolha destes
materiais foi baseada na facilidade de obtenção, ou seja, ao fácil acesso para que os
experimentos (tanto em laboratório quanto, em um futuro, em campo) sejam realizados,
também para verificar se há possibilidade de serem utilizados como eventuais referências para
medições futuras.
Também foram estudadas: a) algumas folhas de árvore para análise do estresse hídrico,
verificando o comportamento espectral delas em função do tempo, e consequentemente, em
relação à perda de água quando iluminadas durante as medições; e b) uma telha cerâmica,
analisando a reprodutibilidade do arranjo experimental.
Como resultado das medições iniciais da reflectância de superfícies de referência, utilizando
uma placa de Spectralon, uma cartolina branca e uma placa metálica pintada (placa de uma
lateral de CPU), obteve-se a Figura 3.
Como mencionado anteriormente, os dois materiais de estudo foram escolhidos por serem de
fácil acesso, possibilitando a sua utilização em uma eventual calibração em campo. Entre as
características desejadas para estes materiais estão: a) uma alta refletância, em todo o
espectro; e b) estabilidade da assinatura espectral ao longo do tempo.
208
1,0
Reflectância
0,8
0,6
0,4
Placa de Spectralon
Cartolina Branca
Placa Metálica Pintada
0,2
0,0
500
1000
1500
2000
2500
Comprimento de Onda (nm)
Figura 3. Gráfico da Curva (média de 3 medições) da reflectância de: uma placa de
Spectralon, uma cartolina branca e uma placa metálica pintada (placa de uma lateral de CPU).
Analisando resultados apresentados na Figura 3, verifica-se que a cartolina branca seria,
eventualmente, o melhor material para a utilização como referência, visto que sua reflectância
é superior a da placa metálica pintada. Entretanto, leventou-se a hipótese que a cartolina
poderia possuir um umidade variável ao longo do tempo e que, consequentemente, a sua
reflectância poderia ser alterada, tornarndo inviável a sua utilização.
Para verificar esta hipótese, foi realizada a análise da reflectância da cartolina branca e da
placa metálica pintada ao longo do tempo. Na Figura 4 está apresentado o resultado das
medições no comprimento de onda de 550 nm.
1,02
Reflectância
1,01
1,00
0,99
Cartolina Branca
Placa Metálica
0,98
0
50
100
150
200
250
Medição
Figura 4. Gráfico da reflectância relativa em função do número da medição de: uma placa
metálica pintada e uma cartolinha branca, no comprimento de onda de 550 nm. Foram
realizadas aproximadamente 240 medições (uma a cada 30 s). A reflectância relativa é obtida
calculando a razão entre o valor reflectância e o valor reflectância na primeira medição.
A partir das medições verificou-se que os resultados apresentaram flutuações, em geral
inferiores a 1%, sendo ligeiramente inferiores na placa metálica. Entretanto, em alguns
comprimentos de onda (ou regiões espectrais), estas variações possuiam um comportamento
sistemático e não aletório. Para verificar se este comportamento podia ser atribuído a
variações nas condições experimentais, tais como: tensão de alimentação dos equipamentos,
209
temperatura, umidade relativa do ar, etc., estes parâmetros foram acompanhados durante as
medições ver Figura 5.
23,0
Temperatura (°C)
22,5
22,0
21,5
21,0
126,0
Tensão (V)
125,5
125,0
124,5
124,0
12:48
13:12
13:36
14:00
14:24
14:48
15:12
Horário (h:min)
Figura 5. Gráficos da Temperatura e Tensão em função do horário da medição da reflectância
da placa metálica, apresentada na Figura 4.
Analisando o comportanto da reflectância ao longo do tempo, para estes materiais na faixa
espectral de 350 a 2000 nm, não foi possível correlacionar aos parâmetros em que os
experimentos foram realizados. Com isto, as flutuações observadas foram atribuídas ao
comportamento do espectrorradiômetro. Consequentemente, estas variações devem ser
levadas em consideração nas incertezas experimentais.
Em seguida, foram feitas análises com materiais de interesse ao sensoriamento remoto, em
função do tempo. Das superfícies que foram estudadas, na Figura 6 são apresentados os
resultados obtidos em três séries de medições do material cerâmico (telha).
0,9
0,8
0,7
Reflectância
0,6
0,5
0,4
0,3
Medição 1
Medição 2
Medição 3
0,2
0,1
0,0
500
1000
1500
2000
2500
comprimento de onda (nm)
Figura 6: Gráfico da reflectância de três séries de medições de uma telha, realizadas em dias
diferentes, para testar a reprodutibilidade do arranjo experimental.
Analisando o gráfico da Figura 6 é possível observar que a variação entre as séries de das
medições é da ordem de 20%. Mesmo levando em consideração que a superfície da telha não
210
é homogênea a reprodutibilidade do sistema foi não foi adequada, indicando a geometria de
aquisição dos dados é muito importante e que pequenas variações são significativas.
Conclusões
Neste trabalho, estudou-se a estabilidade da reflectância de dois materiais, uma cartolina
branca e uma chapa metálica pintada, ao longo do tempo. Foi verificado que as variações, em
certas regiões do espectro eletromagnético, foram de até 1 % em duas horas de medição.
Ademais, a variação obtida foi sistemática, o que pode comprometer os resultados de algumas
medições. Tentou-se correlacionar estas variações com o comportamento dos parâmetros
experimentais (tais como: tensão, temperatura, umidade, etc.), entretanto não foi possível,
dentro dos parâmetros acompanhados, identificar um que pudesse ser o mais significativo nas
variações observadas. Com isto estas variações devem ser levadas em consideração nas
incertezas experimentais.
Com as medições realizadas foi possível verificar que a placa metálica pintada é o melhor
material para se utilizar como referência em experimentos no laboratório, pois as variações
obtidas são ligeiramente menores que as da cartolina e não possuem o, eventual, problema de
reter umidade. Entretanto, deve-se estudar melhor a influência da reflexão especular nas
medições. É conveniente lembrar que a placa de Spectralon é considerada a melhor referência
para medições de reflectância, mas é um material muito caro para recobrir áreas extensas.
Já no estudo da reprodutibilidade do arranjo experimental, verificou-se que pequenas
alterações na geometria de aquisição de dados podem alterar significativamente os resultados
obtidos.
Considerando todas as medições realizadas até o momento, conclui-se que as justificativas
para as variações observadas podem estar relacionadas principalmente com o equipamento, no
caso o espectrorradiômetro, utilizado nessas medições. No entanto, o objetivo do projeto
ainda não foi concluído, pois ainda serão estudados outros materiais de interesse ao
Sensoriamento Remoto e as medições realizadas serão acompanhadas, se possível, pela
determinação de outros parâmetros experimentais.
Agradecimentos
Os Autores agradecem ao CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica e ao IEAv pela
oportunidade de desenvolver o trabalho.
Referências
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terrestres. 2. ed. São José dos Campos: Parêntese, 2009. 598 p.
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2011/03.30.18.09-TDI). Dissertação (Mestrado em Sensoriamento Remoto) - Instituto
Nacional de Pesquisas Espaciais, São José dos Campos, 2011. Disponível em:
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2008/2009.
Sutton,
New
Hampshire,
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Labsphere.
Disponível
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0Guide_2008_2009.pdf >. Acesso em: 10/fev/2013
Art.38
211
CARACTERIZAÇÃO DA DETONAÇÃO PULSADA POR EMISSÃO
COM RESOLUÇÃO TEMPORAL1
J. B. R. Santos1; C. S. T. Marques2
UNESP – Engenharia Mecânica, Guaratinguetá – SP
2
IEAv – Div. de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José dos Campos – SP
[email protected] /[email protected]
1
Palavras-chave: emissão luminosa, tempo de ciclo, célula de detonação, PDE.
Introdução
O motor a detonação pulsada (PDE) tem sido relacionado a regimes de voo subsônico,
supersônico e hipersônico, sendo mais promissora a sua utilização no desenvolvimento de
motores hipersônicos do tipo scramjet (supersonic combustion ramjet,[1]). Para tal, a
obtenção de uma detonação consistente e repetitiva na menor distância possível a fim de
minimizar o peso do sistema ainda é necessária para a viabilização deste dispositivo.
As frentes de detonação reais possuem uma estrutura celular tridimensional transiente.
Durante a expansão dessa onda, há pontos denominados “pontos triplos”, nos quais a taxa da
reação é máxima [2]. Esses pontos se movem espacialmente formando as células (Figura 1).
Figura 16. Estrutura celular de detonação e largura da célula de detonação (λ)[3].
O tamanho das células está relacionado com a velocidade da onda de detonação. Sua
regularidade reflete a estabilidade da reação. Quanto menor o tamanho das células de
detonação, maior a velocidade de propagação da reação e, consequentemente, menor o tempo
de ciclo do PDE. E, ainda, quanto menor o tempo de ciclo maior a taxa de repetição do motor.
Neste trabalho, são apresentados cálculos dos tamanhos de célula e dos tempos de ciclo.
Também foram medidos os tempos de ciclo do PDE, através da obtenção das medidas de
emissão com resolução temporal da H2O*. Além disso, foram obtidas medidas de emissão ao
redor de 450 nm para a determinação das dimensões da célula de detonação.
Nomenclatura
C0
DCJ
LC
Li
LPDE
1
= Velocidade do som para a mistura [cm / s];
= Velocidade de CJ [cm / s];
= Comprimento da célula de detonação [cm];
= Comprimento de indução da reação [cm];
= Comprimento total do dispositivo (com tubeira);
LPDE = 198,2 cm;
n
tI
tII
tIII
τi
= Constante; 5 ≤ n ≤ 10; considerou-se n = 10;
= Tempo para passagem da onda de choque
inicial e início da exaustão [s];
= Tempo de retorno da onda de rarefação [s]
= Tempo até exaustão final [s];
= Tempo da zona de indução [s];
Projeto: Estudo da Detonação Pulsada por Técnicas Ópticas de Diagnóstico (FAPESP)
212
Ltubo = Comprimento do tubo; Ltubo = 152,0 cm;
MCJ = Número de Mach da detonação;
λ
γ
= Largura da célula de detonação [cm].
= razão dos calores específicos.
Metodologia
Cálculo das dimensões da célula de detonação
Para o cálculo do tamanho das células de detonação, foram utilizados os dados obtidos através
das escalas ZND (Zel’dovich-Neumann-Döring). O modelo ZND considera uma detonação
em uma dimensão, com uma onda de choque pontual seguida de uma zona de reação finita.
Pelos perfis de termicidade, os tempos de indução da reação, necessários para o cálculo,
foram determinados, como mostram as equações [4] abaixo:
(1)
(2)
(3)
As larguras das células obtidas através do tempo da zona de indução foram comparadas às
obtidas através de um modelo semi-empirico [5]. O modelo semiempírico foi aplicado através
das rotinas cedidas pelo Dr. Gravikov do Instituto Kurchatov, o qual tem como entradas as
razões de equivalência da mistura, a velocidade de detonação de Chapman-Jouguet (DCJ) e a
pressão e temperatura iniciais e como saídas a largura da célula de detonação, a energia de
ativação efetiva e a energia química liberada. Sendo as duas últimas parâmetros de
estabilidade da reação. A partir da largura da célula de detonação, estimou-se também o
comprimento da célula de detonação, através da equação (3).
Cálculo dos tempos de ciclo do PDE
O tempo de ciclo do PDE foi calculado através do modelo analítico de Endo-Fujiwara [6], que
considera um tubo de seção transversal constante, fechado em uma das extremidades e aberto
em outra, inicialmente preenchido com uma mistura detonável homogênea à pressão
constante. Os gases, para simplificação dos cálculos, são tratados como politrópicos. A
ignição inicia o processo de detonação, a partir da extremidade fechada do tubo, criando uma
onda de alta pressão que viaja a velocidade CJ, seguida por uma onda de rarefação. O tempo
de t = 0 até t = tI é denominado fase de combustão. Em tI inicia-se outra onda de rarefação,
porém em sentido contrário, diminuindo a pressão interna até uma pressão muito menor do
que a inicial (t = tII). A exaustão total dos gases ocorre durante tI < t< tIII. O tempo total do
ciclo PDE “single-shot” (onde não há recarga da mistura) é, portanto, tciclo = tI + tII + tIII.
(4)
(5)
(6)
Os valores de DCJ e γ foram calculados previamente [7]. Após o cálculo inicial dos valores de
tII e tIII, estes foram corrigidos considerando-se a aceleração existente na tubeira para
posteriormente recalcular-se o valor de tempo de ciclo.
Arranjo experimental
O sistema de detonação pulsada fabricado no IEAv, para simular as condições de combustão
reais de um PDE, é composto por um sistema de ignição, um tubo de detonação sem
obstáculos, uma tubeira divergente e uma câmara de teste. Uma descrição detalhada do
sistema foi realizada anteriormente [7].
Execução dos testes de detonação da mistura H2/ar
Para a preparação dos testes, foram utilizados diafragmas de Mylar aluminizado de 50 µm de
espessura colocados entre dois anéis de alumínio de 0,55mm de espessura cada, separando-se
213
assim, a câmara de combustão e a de testes. Estando todo o sistema hermeticamente fechado
abria-se a linha de vácuo e a pressão, em ambas as câmaras, era controlada até chegar a
aproximadamente 5x10-2 mmHg, tomando-se o cuidado de manter equalizada as pressões nas
diferentes câmaras para o Mylar vedar adequadamente. O tubo de detonação foi preenchido
com a mistura explosiva H2/ar, a uma pressão inicial de 1,0 atm na condição estequiométrica,
nas pressões parciais de 225 mmHg de H2 e 535 mmHg de ar. A mistura explosiva é
homogeneizada por difusão molecular durante 1h. Após a ignição da vela automotiva por um
pulso de alta tensão (25kV), inicia-se a detonação do combustível. A onda de choque
acoplada a frente de combustão rompe o diafragma e se propaga até a câmara de testes.
Aquisição das medidas de emissão
Para a aquisição das medidas em ~450 nm com a resolução espacial necessária para a
determinação do comprimento da célula de detonação no tubo de detonação, aplicou-se uma
fenda de 2 x 4 mm e uma lente plana-convexa ( = 25 mm e F = 250 mm) com o foco
incidente na parede posterior do tubo.
Após cuidadoso alinhamento, utilizando-se um laser de He-Ne, a emissão ao redor de 450 nm,
em função do tempo, foi detectada pela fotomultiplicadora e registrada em um osciloscópio de
500 MHz.
Cálculo das dimensões das células de detonação
Os tamanhos das células de detonação obtidos são apresentados nos gráficos abaixo:
4,5
2,0
1,9
Mistura Estequiométrica
1,8
1,7
ZND
Modelo Semi-Empirico
1,6
3,5
1,5
ZND
Modelo Semi-Empirico
3,0
1,4
 [cm]
1,3
 [cm]
Pressão Ambiente
4,0
1,2
1,1
2,5
2,0
1,0
1,5
0,9
0,8
1,0
0,7
0,6
0,5
0,5
0,4
0,6
0,8
1,0
P0 [atm]
1,2
1,4
1,6
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4

Figura 2. Gráficos do tamanho das células detonação em função da pressão inicial e da razão
de equivalência ().
Embora os gráficos apresentem apenas os valores da largura da célula de detonação (λ), estes
são diretamente proporcionais aos de comprimento (LC). Ressalta-se que os dados calculados
com o modelo semiempírico são mais próximos aos experimentais da literatura [3].
Cálculo dos tempos de ciclo do PDE
Foram calculados os tempos de cada etapa da propagação da onda de detonação, assim como
o tempo de ciclo, para pressões iniciais de 0,5 / 1,0 e 1,5 atm e razões de equivalência de 0,6 /
0,8 / 1,0 / 1,2 e 1,4, conforme Tabela 1. Os valores de Ux referem-se à velocidade na saída da
tubeira, após aceleração e estas foram utilizadas para o cálculo do tempo de ciclo com
aceleração. Pode-se notar que o tempo de ciclo não possui variação significativa para
diferentes pressões iniciais (Figura 3).
214
Tabela 1: Tempos de ciclo sem (seção constante) e com aceleração para diferentes pressões
iniciais e razões de equivalência (). AR é a razão das áreas da tubeira.
Misturas explosivas de H2/ar
P1 /
atm
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5

0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
DCJ /
m s-1
1704,0
1853,1
1953,5
2015,4
2056,2
1707,5
1862,7
1968,5
2030,4
2069,2
1709,2
1867,7
1976,8
2038,5
2076,0

1,2136
1,1775
1,1575
1,1617
1,1744
1,2185
1,1847
1,1635
1,1692
1,1832
1,2210
1,1888
1,1669
1,1737
1,1883
AR =
5.2
/
-1
ms
2147,9
2351,6
2499,6
2574,8
2621,1
2145,7
2355,6
2510,3
2583,8
2627,6
2145,8
2357,4
2516,1
2588,2
2630,5
Seção constante
tI /
ms
1,784
1,640
1,556
1,508
1,478
1,780
1,632
1,544
1,497
1,469
1,779
1,628
1,538
1,491
1,464
tII /
ms
4,653
4,278
4,058
3,934
3,856
4,643
4,256
4,027
3,905
3,831
4,638
4,245
4,011
3,889
3,819
tIII /
ms
8,985
8,210
7,761
7,528
7,395
8,974
8,178
7,710
7,482
7,360
8,969
8,162
7,682
7,458
7,342
Aceleração pela tubeira
tciclo /
ms
15,42
14,13
13,38
12,97
12,73
15,40
14,07
13,28
12,88
12,66
15,39
14,03
13,23
12,84
12,63
tI*/
ms
1,784
1,640
1,556
1,508
1,478
1,780
1,632
1,544
1,497
1,469
1,779
1,628
1,538
1,491
1,464
tII*/
ms
3,691
3,371
3,172
3,079
3,025
3,695
3,366
3,158
3,068
3,017
3,695
3,363
3,151
3,063
3,014
tIII*/
ms
7,128
6,470
6,065
5,893
5,801
7,141
6,467
6,046
5,880
5,796
7,144
6,466
6,035
5,874
5,795
tciclo*
/ ms
12,60
11,48
10,79
10,48
10,30
12,62
11,46
10,75
10,45
10,28
12,62
11,46
10,72
10,43
10,27
13.0
12.5
P1 = 1,5atm
P1 = 1,0atm
P1 = 0,5atm
TCiclo [ms]
12.0
11.5
11.0
10.5
H2 / ar
AR = 5.2
10.0
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4

Figura 3: Gráfico do tempo de ciclo com a razão de equivalência e pressão inicial
Medidas de emissão para a determinação do comprimento da célula de detonação
Foram realizados testes fora da faixa de emissão das espécies produzidas (~450 nm). Em uma
detonação, os pontos triplos aparecem como picos de luminosidade. Devido ao arranjo ótico
utilizado, mede-se o tempo entre os pontos triplos da célula de detonação onde o
monocromador está alinhado (cerca de 190 mm da ignição), encontrando assim o seu
comprimento, o qual pode ser relacionado à sua largura. A frequência de emissão também
serve como uma medida da estabilidade da reação, através da regularidade das células.
Cerca de três registros de emissões foram obtidos, caracterizando a detecção da emissão nesta
região com um mesmo formato. Porém, apenas um com alta razão sinal/ruído e tempo de
ciclo compatível com uma detonação (tciclo.max = 21ms, para UCJ = 1000m/s), como se observa
na Figura 4. Foram analisados no total 20 picos (Figura 4), após aplicar-se o filtro baseado na
transformada de Fourier (FFT), obtendo-se o intervalo de tempo de 51,4 ± 16,6 s entre os
picos. A partir das DCJ estabelecidas pelo tempo de ciclo obtido experimentalmente por
emissão luminosa, as dimensões das células de detonação foram determinadas (Tabela 2).
215
0.08
 ~ 450 nm
0.04
0.00
[V]
-0.04
-0.08
-0.12
-0.16
-0.20
1.8
2.0
2.2
2.4
2.6
Tempo [ms]
Figura 4. Emissão com resolução temporal no tubo de detonação e na câmara de testes. CH1
ao redor de 450nm e CH2 em 651,7 nm, observa-se que tciclo = 20,2 ms.
Tabela 2. Velocidade considerada para o comprimento e largura da célula detonação.
DCJ / ms-1
LC / cm
λ /cm
Sem aceleração
6,7±2,2
4,0±1,3
1295,3
-1
DCJ / ms
LC / cm
λ /cm
Com aceleração
5,4±1,7
3,2±1,0
1048,2
A literatura [8] mostra que a medida máxima admitida para a largura da célula de detonação
() é igual a πD, onde D é o diâmetro do tubo de detonação. No sistema em estudo, D = 3,6
cm. Porém, na prática, aceita-se como D o valor máximo para  como limite de propagação
de uma detonação. Portanto, o resultado mostra que apesar de haver uma detonação ela se
propaga até sua extinção, não sendo válida como condição de um PDE.
Medidas de emissão da H2O* com resolução temporal
Medidas de emissão de H2O* com resolução temporal foram realizadas para comprovar a
detonação a partir de misturas de H2 / ar, como mostra a Figura 5. Observa-se uma maior
razão sinal/ruído para as medidas em 620,22 nm. Porém, a aquisição da emissão com maior
razão sinal/ruído não tem impacto na determinação do tempo de ciclo do PDE (Tabela 3).
Tabela 3. Tempos de ciclo do PDE determinados por emissão luminosa.
Descarga
Detecção
Truptura/ Taplicada/ Cap./
λ / nm Δ / nm Monocromador
kV
kV
nF
8,5
25
75
651,7
2,1
¼m
7
25
150 651,7
2,1
¼m
7
25
150 651,7
2,1
¼m
7
25
150 620,22 0,78
0,5 m
tciclo /
ms
DCJ /
m s-1
12,85* 1646,5
10,85 1950,1
9,80**
12,25 1725,4
/
ms
12,0 ± 1,0
/ m s-1
1774,6 ± 157,2
* tciclo obtido com a descarga de nanosegundos com capacitores novos e thyratron nova (com
defeito).
** tciclo não é válido devido à presença de fuligem do experimento com folha de fuligem para
determinação da célula de detonação (o teste apresentou células de detonação).
Os tempos de ciclo foram obtidos para um motor com falhas no sistema de ignição (com
grandes perdas de energia) e, nestas circunstâncias, o desvio é de apenas 1 ms. A partir dos
tempos de ciclo obtidos experimentalmente é possível calcular-se as velocidades de detonação
Chapman-Jouguet (DCJ), aplicando-se as equações (4), (5) e (6). Atingiu-se, em média, 90%
de DCJ, aplicando-se uma ignição de nanosegundos com energia de dezenas de joule.
216
Figura 5. Registros da emissão de H2O* com resolução temporal para a detonação da mistura
estequiométrica de H2/ar a 1 atm. (a) = 651,7±1,05 nm e (b)=620,22 ±0,39 nm.
Conclusões
A partir dos dados calculados, observa-se que os comprimentos de células de detonação
obtidos a partir do modelo semi-empirico se aproximam mais dos encontrados na literatura,
porém estes possuem uma faixa de trabalho restrita.
A técnica de emissão com resolução temporal é adequada para estabelecer as dimensões da
célula de detonação e os resultados mostraram o limite de propagação da detonação no
sistema em estudo. Foi constatada uma detonação repetitiva, visto que os tempos de ciclo
determinados experimentalmente tem um desvio admissível.
Agradecimentos
Ao CNPq e à FAPESP pelo financiamento da bolsa PIBIC e dos materiais e equipamentos.
Referências
[1] POVINELLI, L. A.; Pulse detonation engines for high speed flight. Nasa Report TM2002-211908, 2002. 8p.
[2] LEE, J. H. S., The detonation phenomenon, 1st Ed., Cambridge University Press, New
York, 2008.
[3] DESBORDES, D. em http://www.lcd.ensma.fr/, 2005. Acessado em 25 de Abril de 2013.
[4] EDWARDS, D. H.; THOMAS, G. 0.; NETTLETON, M. A. The diffraction of a planar
detonation wave at an abrupt area change. J . fluid mech., v. 95, n 1, p. 79-96, 1979.
[5] GAVRIKOV, I.; EFIMENKO, A.A.; DOROFEEV, S.B. A model for detonation cell size
prediction from chemical kinetics A. Combustion and flame, v. 120, n 1-2, p. 19–33, 2000.
[6] ENDO, J.; FUJIWARA, T. A simplified analysis on a pulse detonation engine model,
Trans. Japan soc. aero. space sci. v. 44, n 146, p. 217–222, 2002.
[7] DOVICHI FILHO, F.B.; FERRAZ, W.C.; MARQUES, C.S.T.; OLIVEIRA, A.C.;
CHANES JR.; J.B. Single-shot pulsed detonation device for pde combustion simulation. In:
BRAZILIAN CONGRESS OF THERMAL SCIENCES AND ENGINEERING, 13, 2010,
Uberlândia. Proc. of 13th braz. cong. thermal sci. eng. Rio de Janeiro: Brasil, 2010.
[8] THOMAS, G.O.; Flame aceleration and the development of detonation in fuel-oxygen
mixtures at elevated temperatures and pressures. Journal of hazardous materials, v. 163, p
783-794, 2009.
Art.39
217
DESENVOLVIMENTO DE UMA PLATAFORMA VANT PARA SER
UTILIZADA EM TESTE COM O PILOTO AUTOMÁTICO PITER
1
V. A. Sousa1, 2 *, Q. C. Eller1, 2, E. H. Shiguemori1
Instituto de Estudos Avançados, EGI, S. J. dos Campos, Brasil
2
Universidade Paulista, UNIP, São José dos Campos
*[email protected]
Palavras-chave: Quadricóptero, MultiWii, Imagem.
Introdução
Os Veículos Aéreos Não Tripulados, que também são conhecidos pela abreviação de VANT,
são aeronaves que não possuem tripulação a bordo e são guiados remotamente ou
autonomamente. Podem realizar diversas tarefas, tais como, reconhecimento de área,
vigilância de patrimônio, captura de imagens para mapeamento, aplicação em agricultura de
precisão, sensoriamento ambiental, monitoramento e análise de trânsito de veículos, ou
realizar outros tipos de tarefas dependendo dos instrumentos nele embarcados [1,2]. Apesar
da grande diversidade de utilização que essas aeronaves possuem, desde o surgimento dos
primeiros modelos, a sua utilização é militar e civil [3].
Neste trabalho é proposto o estudo de uma plataforma VANT (multirrotor) de baixo custo
para realização de experimentos com uso de imagens e vídeos aéreos, com ênfase aos testes
práticos de navegação autônoma a partir de informações do sistema PITER (Processamento
de Imagens em Tempo Real).
Metodologia
As etapas fundamentais que foram seguidas para a realização deste trabalho de pesquisa são:
1. Definição da estrutura do VANT que mais se adequa ao problema de navegação por
imagens;
2. Escolha dos componentes eletrônicos apropriados ao projeto;
3. Montagem do VANT e configuração do sistema de navegação;
4. Realização de testes.
O projeto PITER, que está em desenvolvimento no IEAv, possui como objetivo demonstrar o
conceito de navegação autônoma por imagens, sendo que esse projeto possui várias
ramificações de pesquisa, por exemplo o sistema de visão computacional, sistema de
eletrônica embarcado, etc. As imagens utilizadas no laboratório para testes e estudo, são
obtidas por meio de satélites e voos gravados sob a cidade de São José dos Campos [4].
Diante da necessidade de se possuir mais amostras de imagens para serem utilizados na
pesquisa, surgiu à possibilidade de se estudar um VANT de baixo custo para auxiliar os
experimentos realizados em laboratório. Na Figura 1 temos um diagrama de blocos com as
etapas seguidas para a realização desse estudo.
218
Figura 1 – Diagrama de Blocos
Os modelos de VANT existentes na atualidade são projetados seguindo os conceitos de
modelos de aviões, helicópteros ou dirigíveis, sendo que cada opção possui vantagens e
desvantagens quando comparadas entre si [3]. Na Tabela 1 são apresentadas as principais
características dessas concepções.
Tabela 1 – Características dos modelos VANT [3]
VANT
Concepções
Características
Vantagem
Avião
Desvantagem
Necessita de uma
área para realizar
pouso e decolagem
Pouso e decolagem
Helicóptero
Vantagem
Desvantagem
Não necessita
área específica
para realizar
pouso e
decolagem
Dirigível
Vantagem
Desvantagem
Em qualquer
lugar decola
Necessita de uma
área para realizar
pouso
Trajetória
Consegue seguir
uma rota
Consegue seguir
uma rota
Depende das
condições do
vento
Condições do Clima
Tolera ventos
durante voo
Tolera ventos
durante voo
Tolerância baixa
para voar com
ventos
Custos
Possui custo de
construção e
manutenção
baixo
Transporte
Possui o recurso
de desmonte, o
que torna o
transporte fácil
Custo de aquisição
e manutenção alto
Também possui
fácil transporte
Custo de
aquisição e
manutenção alto
Dificuldade em
transportar devido
ao reservatório de
gás
Sendo o baixo custo um dos principais focos do estudo, a configuração e modelo adotado no
estudo é de um VANT multirrotor de 4 motores (Quadricóptero), pois as suas vantagens são
equiparadas com os modelos do tipo helicóptero, porém pode ser desenvolvido com custo
menor para serem utilizados para obtenção de imagens. O componente estrutural que define o
219
VANT como um modelo quadricóptero de 4 motores é o Frame, sendo uma base de fibra de
vidro onde são fixados todos os componentes presentes no VANT, tendo o seu formato
semelhante a letra “X”[5]. Após a definição da estrutura principal do VANT ter sido obtida, o
passo seguinte empregado no desenvolvimento do projeto foi a escolha dos componentes
eletrônicos.
Dentre os componentes que compõe um quadricóptero, podemos focalizar nos primordiais
para o seu desenvolvimento, sendo eles o motor, controlador eletrônico de velocidade (ESC),
bateria e uma placa controladora. Atualmente existem vários tipos de motores, variando em
muito o seu tamanho, amperagem e torque [6], porém os motores do tipo brushless possuem a
característica de não haver contato mecânico entre a superfície do rotor e o estator e não
acumulam poeira e faísca no decorrer de sua utilização, aumentando sua vida útil e tornandose assim ideal ao projeto [7].
O motor como componente isolado não possui a capacidade e recurso para controlar a sua
velocidade de rotação, sendo então necessário um auxílio externo que realize essa função,
sendo eles os ESC, que utilizam sinais PWM (do inglês Pulse Width Modulation) para
controlar a rotação do motor, designando assim sua aceleração e velocidade [6]. Um
componente principal que constitui um projeto de VANT é a placa controladora de
multirotores que gerência e controla o sistema de navegação da aeronave, entre os diversos
modelos existentes podemos citar o MP2028 produzido pela MicroPilot ou a MultiWii
CRIUS da empresa MultiWii [8,9].
As placas controladoras possuem em sua constituição um sensor acelerômetro (responsável
por medir aceleração) e giroscópio (sensor que detecta movimentos angulares) para auxiliar a
navegação do VANT, sendo todo esse conjunto eletrônico gerenciado por uma lógica de
programação embarcada na própria placa [7].
Após um levantamento teórico a respeito dos VANT, as especificações dos componentes
foram realizadas visando atender ao propósito do projeto e possuir um baixo custo. A
montagem do VANT foi feita utilizando um motor brushless NTM Prop Drive 2826 1350Kv;
um ESC Turnigy AE-30A que funciona a uma amperagem de 30 amperes; bateria ZIPPY
FLIGHMAX 30C 5800mAh, com a amperagem de 174A, ideal para suprir a alimentação de
todo o sistema VANT.
Para controlar o sistema foi utilizado a placa MultiWii CRIUS SE, que inicialmente era um
projeto constituído de uma placa de desenvolvimento microcontrolada Arduíno e um sensor
acelerômetro e giroscópio encontrados nos controles da Nintendo WiiMote. A placa possui
entradas e saídas analógicas e digitais que podem ser utilizadas para acoplar diversos
componentes, tais como sensor de temperatura ou um GPS (Sistema de Posicionamento
Global) que auxilia a navegação do VANT durante um determinado percurso, sendo então a
MultiWii responsável por controlar e gerir todos os componentes eletrônicos presentes no
quadricóptero que fazem parte do sistema de sustentação, propulsão e navegação, por
exemplo os ESC e motores [7]. Acoplada a placa está o módulo GPS uBlox v2.0 que irá
fornecer dados para auxiliar a lógica de navegação do sistema VANT, sendo que o piloto irá
controlar a placa e induzir os comandos responsáveis pela trajetória do vôo através do
controle Futaba 7C 2.4 Ghz e um receptor de 7 canais.
O núcleo lógico da placa é constituído por um microcontrolador ATmega328 e utiliza a
linguagem de programação C/C++. O fabricante da placa MultiWii disponibiliza um código
fonte open source que pode ser utilizado em diversos tipos de multirrotores, e a sua alteração
e melhoria é livre, podendo assim ser modificado o código para implementações futuras de
funções não previstas na placa. O ambiente de desenvolvimento e alteração do código é o
Arduíno 1.0.3, o mesmo utilizado para desenvolvimento de códigos para arduínos [9], sendo
220
que também existe uma interface gráfica chamada MultiWii GUI que se for executado em um
computador conectado a MultiWii é demonstrado a situação da placa, como por exemplo o
estado de funcionamento dos sensores (operante ou inoperante). O código fornecido pelo
fabricante da placa MultiWii deve ser configurado de acordo com o tipo de multirrotor
escolhido antes de ser carregado na placa utilizando o ambiente de desenvolvimento Arduino,
no qual deverá ser configurado para ser utilizada com o microcontrolador ATmega328. Tipo
de multirrotor, velocidade de comunicação de módulos GPS e ajuste de declinação magnética
(diferenças da orientação do pólo geográfico com o pólo magnético) são apenas alguns fatores
que devem ser ajustados na placa para que ocorra o seu funcionamento [10]. Nas Figuras 2, 3
e 4 são apresentados, respectivamente, um diagrama de funcionamento, uma foto do protótipo
final e o VANT em voo.
Figura 2 – Diagrama de Funcionamento
Figura 3 – Quadricóptero
Figura 4 – Teste de voo
Foram realizadas 3 voos com o quadricóptero com a finalidade de testar o seu funcionamento
eletrônico e lógico do sistema de navegação. No primeiro voo realizado com a finalidade de
testar GPS Hold (fixação do VANT em um ponto específico) foi constatado falhas no GPS.
No segundo voo para se testar a função GPS Home (retorno do VANT automaticamente a um
determinado ponto fornecido pelo GPS) não foi obtido sucesso de início, devido a uma
configuração inadequada, tornando-se funcional após serem realizadas correções. E com um
terceiro voo foi novamente testado as funcionalidades do quadricóptero. Na Tabela 2 temos a
representação dos dados de vôo e nas Figuras 5, 6 e 7 temos imagens obtidas que podem ser
utilizadas por exemplo para identificar áreas urbanas e rurais.
221
Tabela 2 – Testes de voos
Testes de Voo
Data
Teste
Modificação
Tempo
aproximado
voo
14/02/2013
GPS Hold
Alteração nos parâmetros
do protocolo I2C
7 minutos
19/02/2013
GPS Home
Ajustes na interface
gráfica MultiWii GUI
5 minutos
20/02/2013
GPS Hold
Ajustes no PID
4,5 minutos
Figura 5 – 14/02/2013
Figura 6 – 19/02/2013
Figura 7 – 20/02/2013
Conclusões
No decorrer da pesquisa foram estudadas diferentes tecnologias utilizadas em projetos de
veículos aéreos não tripulados, entre eles o multirrotor quadricóptero, tendo como principal
foco o projeto de um VANT de baixo custo para ser utilizado em auxílio com o projeto
PITER, sendo possível obter imagens aéreas para realização de testes.
Agradecimentos
Agradeço ao CNPq pelo fornecimento da bolsa de iniciação científica, a Divisão de
Geointeligência e ao IEAv.
Referências
[1] BERNINI,Á.;GONÇALVES,J.C.;CATHARINO,W.I. Aplicação de veículo não
tripulado: VANT para auxílio em operações de localização e recuperação de veículos
roubados.Universidade Paulista campus Bauru, Bauru.2011.
222
[2] MARTINELLI, T. H. Adaptação de stream de vídeo em veículos aéreos não
tripulados. Universidade de São Paulo,São Carlos.2012.
[3] MEDEIROS, F.A. Desenvolvimento de um veículo aéreo não tripulado para aplicação
em agricultura de precisão. Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria. 2007.
[4]MEDEIROS,F.L.;SHIGUEMORI,E.H;MONTEIRO,M.V.T.;DOMICIANO,M.A.P.;MAR
TIRNS,M.P.Verificação Automática de Situações de Colisão na Navegação de Veículos
Aéreos Não Tripulados. Instituto de Estudos Avançados IEAv.São José dos Campos.pag 12.
[5]HobbyKing.Disponível
em:<http://http://www.hobbyking.com/hobbyking/store/__34236__H
obbyking_X580_Glass_Fiber_Quadcopter_Frame_w_Camera_Mount_585mm.html>.Acesso
em 02 de maio 2013.
[6]RUSSOLO, T.A.;Sistema de Controle de Posição Microprocessado com Servomotor
CC.Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, São Carlos. 2011.
[7]FILHO,G.L.S.; RUDIGER,G.T.; NASCIMENTO,J.P.M. Quadricóptero.Universidade
Tecnológica do Paraná,Curitiba. 2011.pag 9.
[8] FIGUEIREDO, L.M.V;SANTOS,J.S.Piloto Automático para Veículo Aéreo NãoTripulado (VANT) MicroPilot®.Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos
Campos. 2010.
[9]MULTIWIICOPTER. MultiWii Guide. Disponível em:<http://www.multiwiicopter.com>.
Acesso em 24 de janeiro de 2013.
[10]ATXHELI. Guide to setting up and using the CRIUS MWC MultiWii SE Board
Software. Disponível em: <http://www.robson.fr/wp-content/uploads/2012/08/NewbiesGuide-to-Setting-Up-CRIUS-MultiWii-SE-board-v4-22-12.pdf>. Acesso em 16 de janeiro de
2013.
Art.39.1
223
AVALIAÇÃO DA UTILIZAÇÃO DE FIBRAS DE POLITEREFTALATO
DE ETILA OU PET REFORÇADAS COM FIBRAS DE CARBONO
COMO SUBSTITUTO AO AÇO EM PAVIMENTAÇÃO EXPOSTA AO
TEMPO
1
T. L. S. Correa1; G. de Vasconcelos2
Universidade estadual Paulista – UNIP campus Jacareí
2
Instituto de Estudos Avançados – IEAv-DCTA
Palavras Chaves: concreto, porosidade, resistência, mecânica, absorção, água.
Introdução
Politereftalato de etila, ou PET, é um poliéster, polímero termoplástico ou plástico,
desenvolvido por dois químicos britânicos Whinfield em 1941, formado pela reação entre o
ácido tereftálico e o etileno glicol, formando um poliéster. Utiliza-se principalmente na forma
de fibras para tecelagem e de embalagens para bebidas. A pavimentação de quadras e ginásios
esportivos, estradas ou estacionamentos em regiões com elevados indices pluviométricos
requer a utilização de drenos, ranhuras ou “groves”. Sobre estas ranhuras, na ocorrência de
forte chuva, por exemplo, poderá ser observado a formação de filmes de água. A utilização de
concreto poroso causa a exposição do aço estrutural a reações de oxidações quando em
contato com a água, limitando assim, seu tempo de vida média. A subsituição do aço por um
polímero inerte à chuva ácida ou à água pode ser uma alternativa viável, se porventura, a
diferença de resistência mecânica entre o aço e as fibras de PET que se deseja desenvolver,
for compensada pelo uso de maior quantidade de fibras distribuidas de forma otimizada no
interior do revestimento ou piso.
Esta proposta objetiva avaliar a utilização do Politereftalato de etila em subsitutição as malhas
metálicas utilizadas na pavimentação exposta ao tempo. A principal vantagem da utilização
deste material, além do apelo ecológico, dando destino correto a este material é a sua inércia
química, podendo ser exposto à umidade e a ambientes quimicamente agressivos.
Metodologia experimental
Fitas de Politereftalato de etila foram extraídas de embalagens PET, a partir do corte
longitudinalmente ao seu eixo de centro. A parte inferior da garrafa é removida e em seguida,
é feito o corte das fibras utilizando-se uma lâmina feita a partir de um estilete comercial. Estas
fitas, com largura da ordem de 3mm, foram fixadas na placa de um torno mecânico, conforme
apresenta a Fig. 1, giradas com rotação de 250rpm. Para as fibras não retornarem ao seu
estado inicial (forma reta) fez-se o aquecimento com um jato de ar quente (T=180ºC), a fibra
já conformada a quente é apresentada na Fig. 2.
Foram realizados ensaios de tração que consiste em submeter um corpo de prova a um esforço
de tração na direção axial até sua ruptura. O resultado obtido é registrado na forma de um
diagrama, denominado diagrama de tensão deformação que pode ser obtido fazendo-se a
leitura das cargas aplicadas e das deformações sofridas, esses valores são fornecidos pela
própria máquina de ensaios através de extensômetros adaptados aos corpos de prova.
224
Figura 1: Fibras sendo conformadas a frio
em torno mecânico.
Figura 2: Fibra logo após processamento
no torno mecânico e conformação a
quente
O diagrama apresentado na Fig. 3, foi obtido para um conjunto de fibras já com reforço
estrutural de fibra de carbono.
Resultados experimentais
Dos resultados dos ensaios mecânicos, inferiu-se que deveriam ser conformados grupos de
treze fibras com reforço estrutural de 7% de fibra de carbono, sendo também embebidas com
resina acrílica. Os resultados obtidos foram comparados aos do aço utilizados na construção
civil. Este ajuste se dará pela variação do diâmetro da fibra e pela abertura da malha. Ou seja,
os valores de resistência requeridos, serão compensados pelo aumento do diâmetro da fibra e
pela redução da abertura da malha.
Figura 3: Resultados de tração de um arranjo de fibras de PET. Dimensão do CP diâmetro de
4,4mm e comprimento de 93mm.
Na Figura 4, apresenta-se a malha que foi feita para ser utilizada como reforço estrutural para
o concreto. Observa-se leve curvatura na região central da amostras. Esta curvatura, na forma
de catenária, poderá promover ainda maior resistência mecânica ao bloco de concreto, graças
a uma propriedade desta curva. Seu formato faz com que a força de compressão aplicada
sobre o pavimento seja distribuída por ele. Ou seja, a força exercida faz com que os átomos
das fibras sejam empurrados uns contra os outros, num sentido que os agregue ainda mais, ao
225
invés de que sejam forçados a separar-se. Parte dos esforços de tração a que seriam
submetidas as fibras serão agora convertidos na compressão dos átomos. O bloco de concreto
foi feito (Figura 5) de modo que se produzisse um bloco com razoável porosidade.
Fig. 4: Malha de PET reforçada com resina Fig. 5: Bloquete, em destaque as fibras
fixa na forma de madeira
utilizadas em sua construção.
A Fig. 5 acima sumariza a pesquisa realizada apresentando o bloquete de concreto que foi
produzido utilizando-se as fibras de PET como reforço da estrutura. Para fins de exposição ao
público em possíveis divulgações dos resultados deste trabalho, mantiveram-se as fibras
aparentes nas laterais.
A Figura 6 apresenta imagem da secção transversal da amostras, observa-se presença de poros
com tamanhos da ordem de 0,3mm que são convenientes ao sistema para fins de absorção de
água.
Figura 6: Microscopia óptica do meio da amostra (secção transversal da amostra).
Conclusões e discussão
A utilização de fibras de PET pode ser uma alternativa viável para a construção de pisos de
pavimentação principalmente em aeroportos, quadras esportivas ou estacionamentos que
226
estejam expostas às intempéries. Estes calçamentos reforçados com fibras de PET poderão ser
construídos com alta porosidade e podem atuar como dreno evitando a formação de filmes de
água indesejáveis. A drenagem de água através do concreto não compromete a estrutura da
fibra, graças a sua elevada inércia química, contrário ao aço que não pode estar em contato
com a água. Pela facilidade de fabricação das fibras, Organização não Governamentais –
ONGs poderão organizar grupos de coletores de embalagens de PET e incentiva-los a
produzir as fibras, com isso, será possível aumentar a renda média destes grupos e gerar novos
empregos.
Agradecimentos:
Ao CNPq pela bolsa de estudo oferecida pelo Programa PIBIC-IEAv, ao pesquisador Dr.
Pardini do AMR-IAE-DCTA pelo fornecimento das fibras de carbono; aos amigos do INPE
pelo fornecimento da resina utilizada na conformação das fibras, ao IEAv-DCTA pelo uso dos
laboratório e ao Pesquisador Dr. Milton Sérgio pelas orientações de uso da máquina universal
de ensaio.
Referências Bibliográficas:
CANEVAROLO Jr., Sebastião V. Ciência dos Polímeros – Um Texto Básico para
Tecnólogos e Engenheiros. Artliber Editora. São Paulo, 2002.
CARASCHI, José Cláudio; LEÃO, Alcides Lopes. Avaliação das Propriedades Mecânicas
dos Plásticos Reciclados Provenientes de Resíduos Sólidos Urbanos. Botucatu, São Paulo,
2002.
CALLISTER Jr., William D. Ciência e Engenharia dos Materiais – Uma Introdução. LTC –
1988.
Art.39.2
227
ESTUDO DO TRATAMENTO TERMOQUÍMICO A PLASMA EM
CHAPA DE Ti-6Al-4V SOLDADA COM LASER A FIBRA1
H. R. Simoni1,2*; M. S. F. Lima2; A. J. Abdalla2, R. M. Oliveira3
Instituto Tecnológico de Aeronáutica – São José dos Campos – SP
2
3
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – Laboratório Associado de Plasma, São José dos
Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: Ligas de titânio, soldagem a laser, tratamentos a plasma.
Introdução
Um dos materiais mais importantes empregado na indústria aeronáutica é o titânio e suas
ligas, devido a sua boa relação peso/resistência1. Esta relação ocorre justamente com o
emprego de elementos de liga no titânio. A liga Ti-6Al-4V é particularmente interessante
devido a presença das duas fases (α e β), que conferem a este material uma boa usinabilidade
e boa resistência mecânica2. Essa liga é muito empregada em reforços estruturais de asa e
fuselagem, e em áreas com alta temperatura como áreas do pilone e APU, ou ainda em peças
do motor como turbinas e palhetas de compressores3. Algumas companhias aéreas utilizam a
soldagem a laser a fim de reduzir a utilização de rebites e consequentemente diminuir o peso
da aeronave. O processo também é viável para o titânio que tem uma boa soldabilidade, mas
deve-se proteger o material no momento da soldagem, para evitar problemas de oxidação e
perda de resistência mecânica4. O objetivo deste projeto é estudar a resistência mecânica da
liga de Ti-6Al-4V, após soldagem a laser e tratamentos termoquímicos a plasma.
Metodologia
As chapas de 2 mm de espessura da liga Ti-6Al-4V foram cedidas pela EMBRAER e as
soldas a laser foram realizadas no laboratório DEDALO/IEAv, com uso do laser a fibra. Os
parâmetros utilizados para a realização das soldagens foram do fluxo de argônio de 60L/min,
velocidade de 40mm/s e potência de 1300W. Algumas chapas soldadas foram analisadas por
microscopia e difratometria de raios X (DRX). Algumas amostras soldadas foram levadas ao
INPE para a realização da implantação iônica com plasma, que tem como objetivo a formação
de uma camada de nitreto de titânio na superfície da liga, como também a formação das fases
α e β, essencial para a melhoria de resistência mecânica da liga.
As análises microscópicas mostraram que se formaram na soldagem três regiões distintas:
metal base (MB), zona termicamente afetada (ZTA) e zona fundida (ZF) como é mostrada na
Figura 1. A análise de DRX mostra que na região da solda existia apenas a fase α formada,
diferentemente da região do MB que tem a presença das duas fases. O tratamento
termoquímico a plasma mostrou que houve modificação na microestrutura da região da solda,
Figura 3, como também a formação da camada de nitreto de titânio na superfície da amostra,
Figura 4, e formação da fase β na solda, Figura 5. Portanto, foi possível obter uma junta
soldada com a estrutura α+β, propícia às aplicações mecânicas, ao mesmo tempo em que se
produziu uma camada dura de nitretos.
1
Projeto: FAPESP 2012/12685-5, bolsa de doutorado.
228
Figura 1: Micrografia das
3 regiões da solda.
Figura 2: DRX da região da solda
Figura 4: DRX da região da solda tratada a
plasma onde mostra a presença do nitreto de
titânio.
Figura 3: Micrografia da
região da solda depois do
tratamento a plasma
Figura 5: DRX da solda tratada a plasma onde
mostra a fase β formada.
Conclusões
Através das análises das microscopias e de DRX, pôde-se concluir que no momento da
soldagem há a formação apenas da fase α no cordão de solda e a formação de três regiões
MB, ZTA e ZF. Com a realização do tratamento termoquímico a plasma, pôde-se observar
que houve uma mudança microestrutural no material, deixando de existir as três regiões
distintas tendendo a uma homogeneidade do material. Com a análise de DRX, o tratamento a
plasma foi viável para a formação da fase β na região da solda, como também a formação de
uma camada superficial de nitreto de titânio que pode aumentar a resistência mecânica desta
liga. Todas as análises realizadas neste trabalho serão empregadas em corpos de prova de
tração e fadiga para estudos de ensaios mecânicos, pois baseando em trabalhos da literatura,
pode-se observar que a soldagem a laser junto com o tratamento a plasma pode melhorar a
resistência mecânica da liga, sendo de grande importância este conhecimento para as
indústrias aeroespaciais.
Agradecimentos
Os autores agradecem o apoio na compra de materiais a CNPQ e FAPESP e a concessão de
bolsa de doutorado da FAPESP.
Referências
[1] DONACHIE, M.J., Titanium – A Technical Guide, ASM International, p.469, (1988).
[2] KIKUCHI, M.; TAKADA, Y.; KIYOSUE, S.; YODA, M.; WOLDU, M.; CAI, Z.;
OKUNO, O.; OKABE, T.; Grindability of Cast Ti-Cu Alloys, Dental Materials, v19, p.375381, (2003)
[3] EMBRAER, Informações obtidas junto à empresa, 2013.
[4] CAIAZZO, F.; CURCIO, F.; DAURELIO, G.; MINUTOLO, F.M.C.; Ti-6Al-4V Sheets
Lap and Butt Joints Carried Out by CO2 laser: Mechanical and Morphological
Characterization; Journal of Materials Processing Technology; v. 149; p. 546-552 (2004)
Art.40
229
MICROESTRUTURAS PERIÓDICAS INDUZIDAS POR LASER EM
SUPERFÍCIES DE AÇO INOX AISI304
1
J. G. A. B. Simões1*, R. Riva1, M. S. F. Lima1, W. Miyakawa1
* [email protected]
Palavras-chave: microestruturas de superfície induzidas a laser, texturização de superfícies a
laser, fusão de superfícies a laser.
Introdução
Estruturas periódicas realizadas em superfície do aço inox, produzidas por aplicação de feixe
de laser (Laser Induced Periodic Surface Structures – LIPSS) resultam da interferência do
feixe de laser e da radiação espalhada na superfície, onde causa um distúrbio muito regular
numa fina camada da superfície do metal inox em estado de fusão, pelo aquecimento gerado
pelo laser [1,2]. Dependendo dos parâmetros de feixe do laser e das propriedades do material,
uma estrutura periódica, que pode difratar a luz, da mesma ordem do comprimento de onda do
laser, fica impressa na superfície do aço inox depois do seu resfriamento, fundida pelo
aquecimento causado pela interação do feixe de laser na superfície do metal. Neste trabalho,
investigamos a formação do LIPSS em uma amostra de aço inox AISI 304 com texturas de
variadas rugosidades, usando um laser de Nd:YAG de 523 nm em modo Q-switching.
Metodologia
Um laser de Nd:YAG (Coherent, Mod.: Corona) emitindo pulsos entre 100 ns e 200 ns, com
taxa de repetição de 5 kHz e comprimento de onda de emissão λ = 532 nm, foi utilizado em
aço inox 304. A varredura do feixe do laser sobre a amostra foi efetuada de acordo com o
esquema mostrado na Figura 1, utilizando-se um sistema de gravação (Scanlab, mod.
Hurryscan).
Figura 1. Laser, Scanhead e amostra, utilizados no esquema do experimento.
Nos experimentos, o diâmetro do feixe do laser foi fixado em 270 μm, mantendo-se uma
potencia média de 23 W. A velocidade de varredura variou entre 10 cm/s e 300 cm/s para
taxas de sobreposição de pulsos de: -50 %, 0 %, 50 %, 75 %, 87,5 % e 93,75 %. O número de
passagens sobre a amostra foi variado entre 1 até 8 passes, Figura 2.
Os resultados dos experimentos realizados em três amostras de inox com polimentos
diferentes, deixando os substratos com rugosidades entre: Sa = 5 nm (para o exemplo
mostrado) na amostra espelhada, Sa = 49 nm para amostra polida com lixa 1200 e Sa = 56 nm
para polimento com lixa 600.
230
Figura 2. Amostra de Inox e resultados de Rugosidade em função dos parâmetros de
varredura.
Realizou-se a formação de grades de difração com um período da ordem do comprimento de
onda do laser incidente, neste caso 532 nm [2]. O efeito da formação desta grade na superfície
do aço inox polido (acabamento espelhado) e tratado com o laser em condições experimentais
adequadas para a geração deste tipo de textura é apresentada na Figura 3.
Figura 3. Formação de grade de difração em amostra de inox.
A textura em forma de ondulação (ripples) que gerou a grade de difração foi observada em
todas as amostras irradiadas, com o diferencial de que, para cada substrato ocorreu um
deslocamento do início de formação das grades, levando a crer que o efeito é bastante
reforçado em função da rugosidade inicial do substrato.
Conclusões
Foram obtidas estruturas em superfície de aço inox 304, com efeito de grade de difração,
onde, constatou-se uma regularidade na ondulação de comprimento de onda em 520 nm que é
próximo do comprimento de onda do laser utilizado (532 nm), que está de acordo com a
equação que prediz o comprimento do passo das ondulações Λ=λ/(1±senθ)[2].
Análises relacionando os deslocamentos no ponto de geração dos efeitos de grades de difração
em função das diferentes rugosidades de substrato vão corroborar na explicação da facilidade
da formação dos mesmos e de outras estruturações possíveis.
Agradecimentos
Ao pessoal do LMSO(IEAv) – Laboratório de Medições de Superfícies Ópticas; e ao Grupo
de Pesquisa Lasers e Aplicações (IEAv).
Referências
[1] J.G.A.B. Simões, R. Riva, M.G. Destro,M.S.F. Lima, A.L. Ribeiro; Pulsed laser polishing
of steel surfaces; IX Brazilian MRS Meeting (Ouro Preto, 14 24-28 October 2010).
[2] Zhou Guosheng, P. M. Fauchet, and A. E. Siegman; Physical Review B, 1982, 26, 10.
Art.41
231
ESTUDO DA TEMPERATURA NUMA CHAMA PRÉ-MISTURADA DE
GLP/O2/AR PELA TÉCNICA LIF DO RADICAL CH
A. E. O. Ferraz1*; L. G. Barreta2
Universidade Estadual Paulista - Departamento de Física, Guaratinguetá – SP.
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Atividades Gerais, São José dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras Chave: Espectroscopia, LIF, diagnóstico em chama.
Introdução
Dentre as técnicas não intrusivas, destaca-se a Fluorescência Induzida por Laser do inglês
“Laser Induced Fluorescence”, que é utilizada neste trabalho para diagnostico em chamas [1].
Na técnica LIF, moléculas ou átomos são excitados, normalmente, a partir do nível eletrônico
fundamental por absorção de radiação laser na região do visível ou ultravioleta (tipicamente
de 200 nm a 600 nm). Uma vez excitadas, as moléculas decaem para o nível eletrônico
fundamental por emissão espontânea de fótons (fluorescência) [2]. A fluorescência nada mais
é do que um método de detecção da radiação que foi previamente absorvida. Como previsto
foi obtido o espectro de uma chama de GLP/O2/ar na região 435,0 nm a 437,0 nm para
fornecer dados de temperatura, a partir do gráfico de Boltzmann.
Metodologia Experimental
A figura 1 mostra basicamente o aparato experimental para obtenção do espectro LIF.
Como fonte de radicais CH será utilizada uma chama pré-misturada de GLP/O2/Ar.
O sistema para obtenção de Fluorescência Induzida por laser (LIF) consiste de um laser de
corante (fabricado pela SIRAH) pulsado e bombeado por um laser Nd-YAG Quanta-Ray que
fornece um feixe de laser de 7 ns de duração. A luz do laser Nd-YAG com comprimento de
onda de 1064 nm passa através de um cristal triplicador de frequência produzindo luz em 355
nm que bombeia o laser de corante cumarina 440 diluído em etanol.
Figura 1- Arranjo experimental para obtenção do LIF.
A figura 2 mostra o espectro de LIF da chama pré-misturada de GLP/O2/Ar obtido
experimentalmente utilizando-se o laser Nd-Yag entre a região de 435,0 nm a 437,0 nm e o
espectro simulado que é obtido utilizando o programa LIFBASE [3] no qual possibilita a
comparação do espectro simulado com o experimental.
232
Figura 2-(a) Espectro simulado do LIF do radical CH. (b) Espectro experimental do radical
CH.
Foi calculada a temperatura por comparação do espectro simulado e o experimental, a
temperatura que mais se aproxima dos dados experimentais é 2000K. Com esse resultado
posteriormente, será efetuado o cálculo das temperaturas a partir do método de Boltzmann.
Conclusões
A técnica LIF permite calcular a temperatura de uma região específica, tanto pelo método de
Boltzmann, quanto pelo utilizado nesse trabalho, no qual é feito por comparação dos espectros
simulados e experimentais. A temperatura encontrada por comparação entre o espectro
experimental e o simulado foi de 2000K. Esse resultado é satisfatório, porém deve-se ter uma
energia mais estável do laser para melhor referência entre as linhas espectrais.
Agradecimentos
Agradecemos ao IEAv, ao PIBIC/CNPq pela bolsa e a FAPESP pelos equipamentos.
Referências
[1] BARRETA, L. G.; SBAMPATO, M. E.; SANTOS, L. R. dos.; MONTEIRO, A.;
DESTRO, M. G.,XXXI ENCONTR NACIONAL DE FÍSICA DA MATÉRIA
CONDENSADA,2008,Águas de Lindóia.Sociedade Brasileira de Física.
[2] SANTOS, L. R. dos. Medições de temperaturas de chamas de etanol utilizando
fluorescência induzida por laser. São Paulo, 2005.Tese Doutorado- Instituto de Química,
Universidade de São Paulo.
[3] Luque, J. e Crosley, D.R.,1999b, “LIFBASE: Database and spectral simulation (version
1.5)”, SRI International Report MP 99-009.
Art.42
233
AUTOMATIZAÇÃO DOS APARATOS EXPERIMENTAIS DE
CARACTERIZAÇÃO ELETRO-ÓPTICA
R. C. Lopes1*; M. F. Mendonça2; G. S. Vieira2
Universidade Braz Cubas – Mogi das Cruzes – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: sensores de infravermelho, controle de equipamentos, coleta de dados.
Introdução
Entre as atividades voltadas à pesquisa de desenvolvimento de sensores de infravermelho,
realizamos a caracterização eletro-óptica [1], que visa avaliar o comportamento e o
desempenho destes sensores. Na caracterização eletro-óptica medimos a responsividade
(eficiência do sensor na conversão de potência da radiação incidente em sinal elétrico),
podendo ser uma medida integral (Figura 1), com incidência de radiação policromática, ou
uma medida espectral (Figura 2), com incidência de radiação monocromática. Ambas as
medidas demandam um conjunto de equipamentos ópticos e eletrônicos (um corpo negro, um
globar, um monocromador, um chopper, um amplificador lock-in e um osciloscópio) que
requerem ajustes de controle e geram uma grande quantidade de dados para análise,
motivando a automatização do procedimento para realização destas medidas.
Figura 1. Montagem para medida integral.
Figura 2. Montagem para medida espectral.
Metodologia
Os parâmetros a serem automatizados são: a) as configurações do lock-in e do osciloscópio;
b) a seleção da grade de difração e o comprimento de onda da radiação eletromagnética na
saída do monocromador; c) a frequência do chopper, a temperatura e a abertura do corpo
negro; e d) a distância entre o corpo negro e o sensor.
Os parâmetros dos itens a, b e c foram automatizados via um programa desenvolvido em
plataforma LabVIEW, uma linguagem de programação gráfica, onde são utilizados ícones
com funções para aquisição e apresentação dos dados, além de funções para controle de
equipamentos. O desenvolvimento do programa foi dividido em etapas, onde em cada etapa
foi desenvolvida uma rotina para configurar e fazer a aquisição de dados para cada
equipamento. No item d, controle da distância entre o corpo negro e o sensor, onde o corpo
negro está acoplado a uma rosca sem fim, usaremos um motor de passos que movimentará a
rosca sem fim para deslocar o corpo negro, tendo como referência sensores de fim de curso e
234
um sensor óptico que indica o deslocamento do deste. Para controle do motor de passo e dos
sensores, usaremos um Arduino, plataforma de componentes eletrônicos e microcontrolador, e
desenvolveremos uma rotina de controle para a interface gráfica do programa em LabVIEW
interagir com o Arduino .
Todas essas rotinas irão compor o programa final, que permitirá controlar os parâmetros
desejados para efetuar tanto medidas espectrais quanto integrais.
As rotinas relacionadas aos itens a, b e c, para configurar e fazer a aquisição de dados, já
foram desenvolvidas. No entanto, até o momento o programa contempla o monocromador, o
osciloscópio e dois amplificadores lock-in diferentes, faltando incluir as rotinas do item c.
Esse programa está sendo testado através de medidas com um detector padrão. Nesses testes
observamos se os equipamentos respondem adequadamente ao controle e se a lógica de
interação entre os equipamentos atende às necessidades das medidas. O problema atual está
na demora de aquisição de dados de um dos amplificadores lock-ins.
Figura 3. Apresentação dos dados de uma medida
(acima) e interface do atual programa (à
esquerda) que contempla o monocromador, o
osciloscópio e dois lock-ins.
Na figura 3 temos a interface do programa onde é realizada a escolha dos equipamentos que
serão usados e as configurações de cada um para efetuar a medida, e a apresentação dos dados
de interesse coletados da medida em “Bloco de Notas” e “Excel”.
O item d, relacionado ao controle da distância entre o corpo negro e o sensor, está em
andamento. Estamos especificando os itens necessários para a automatização e definindo o
posicionamento deles no sistema, bem como o algoritmo que será implementado.
Conclusões
O programa desenvolvido até o momento permite efetuar medidas espectrais e medidas
integrais para uma distância fixa entre corpo negro e sensor. Após implementar o sistema de
controle da distância entre corpo negro e sensor, as medidas integrais poderão ser realizadas
variando a distância para melhor avaliar o comportamento do sensor.
Agradecimentos
Ao CNPq pelas bolsas de Iniciação Científica e DT, à FINEP, Fundos Setoriais, pelo apoio
financeiro aos projetos dentro dos quais este trabalho insere-se, e ao demais bolsistas.
Referências
[1] BOSCHETTI, C. Detectores de infravermelho: princípios e caracterização. São José
dos Campos: LAS-INPE, 2002. Apostila do curso de Ciências de Materiais Experimentais.
Art.43
235
DESENVOLVIMENTO DE FORNO DE INDUÇÃO PARA PRENSAGEM
A QUENTE DE CARBONO VÍTREO RECARBONIZADO
A. S. R. Ferreira, J. C. Minatti, F. A. Souza, A. J. Damião
Instituto de Estudos Avançados, IEAv – São José dos Campos, SP – Brasil
[email protected]
Palavras-chave: circuito ressonante, inversores de frequência, aquecimento por indução
eletromagnética.
Introdução
O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução eletromagnética. Faraday
estudou o fenômeno e concluiu que, num condutor elétrico submetido a um fluxo magnético
variável, surge uma f.e.m. tanto maior quanto maior for a variação ΔΦ do fluxo. A fonte de
energia elétrica de alta frequência é usada para acionar a corrente alternada através de uma
bobina. Devido ao fato de formarem-se correntes de Foucault (correntes induzidas em massas
metálicas), que produzem grande elevação de temperatura nos materiais ferrosos submetidos à
indução eletromagnética, objetivou-se o desenvolvimento do forno de indução para o
aquecimento de materiais condutores. No caso, o objetivo é, a partir de um molde de aço VC
131, aquecer Carbono Vítreo Recarbonizado (CVR) no forno de indução para depois prensálo, utilizando uma temperatura até 600 ºC. A contribuição do trabalho será bastante
importante no aquecimento do CVR para a produção de espelhos utilizados em óptica de
imageamento de satélites.
Metodologia
O projeto é baseado em modelos de fornos de indução utilizados com frequência na fundição
de materiais ferrosos. O forno é composto dos seguintes componentes: um retificador de baixa
tensão de 15 V por 1,5 A, um circuito gerador de frequência, um circuito controle para os
Transistores Bipolares de Porta Isolada (IGBTs), um circuito de controle para desarme por
alta temperatura nos IGBTs, um retificador de alta tensão de 155 Vcc por 40 A, um circuito
inversor de frequência com os IGBTs, uma bobina de indução e um banco de capacitores.
Figura1. Esquema do forno de indução
236
Primeiramente foram realizados os esquemas e esboços de duas placas eletrônicas: uma
contendo o circuito gerador de frequência e o circuito de controle dos IGBTs e a outra com o
circuito inversor de frequência, isto é, os IGBTs. Após a finalização da solda de todos
componentes dos circuitos nas placas foi planejado o sistema de refrigeração mais adequado
ao banco de capacitores, assim como um gabinete que pudesse acomodar da melhor maneira
possível as placas prontas e os para refrigeração. Tudo foi montado dentro de uma caixa de
ferro visando à distribuição dos componentes da melhor maneira possível. Quanto à bobina,
foram realizadas diversas medições para avaliar o valor de sua indutância. Além disso, foram
feitos testes com um Variac, ligando-se só o circuito gerador de frequência e o circuito
inversor de frequência. O teste com o banco de capacitores e com a bobina foi realizando
gerando uma frequência ressonante, porém ao aumentar a potência do sistema foi certificado
que a frequência não respondeu da forma esperada, visando a aplicação proposta.
Figura 2. Sistema elétrico do forno de indução montado.
Conclusões
O ponto crucial para este estudo é encontrar a frequência exata de ressonância do sistema,
para se obter temperatura de 600 ºC no molde de aço VC 131 de forma eficiente. Isto depende
da forma e volume do molde, isto é, da carga aplicada na bobina. A interação do campo
magnético com esta carga é quem determinará a eficiência do sistema, que é dada pelo tempo
de aquecimento até a temperatura desejada. É preciso ressaltar que há necessidade de tempo
para o molde transmitir calor ao CVR, para que este seja prensado a temperatura que se
deseja. Testes estão sendo feitos no sentido de relacionar a reatância e indutância fornecidas
pela ferrite e a bobina do forno. Ainda é preciso testes que definam a frequência ressonante
que possa garantir o uso do sistema de forma eficiente.
Agradecimentos
Agradecemos a colaboração da K. V. Couto e do R. T. Kavashima pela presteza ao passar-nos
diversas orientações quanto à confecção das placas de controle e montagem do forno. Ao
CNPq pelo financiamento.
Referências
[1] Chiristiensen, J. G.. Manual de fundição. São Paulo, 1978.
[2] Brown, G. H.; Hoyler, C. N.; Bierwirth, R. A.. Teoria e aplicação de aquecimento de
rádio-frequência. Nova York,1947.
Art.44
237
ADEQUAÇÃO DAS DIMENSÕES DO ÓXIDO DE COBRE
SINTERIZADO PARA ANÁLISE ELETROMAGNÉTICA
1
M. S. Amarante1,2*; A. C. C. Migliano1,2; S. A. Cunha1,2; G. P. Zanella1,2.
2
*[email protected]
Palavras-chave: CuO; processamento cerâmico; compactação; parâmetros de sinterização.
Introdução
Nos últimos anos, materiais com altos valores de constante dielétrica têm atraído atenção em
pesquisas, devido às potenciais aplicações na indústria microeletrônica [1]. O óxido de cobre
(II) CuO está inserido nesta categoria de materiais, e é atrativo devido principalmente: ao seu
baixo custo, à facilidade de preparo e a disponibilidade em grande escala comercial. O alto
grau de pureza refere-se à eliminação dos defeitos e de Cu+3 na formação da estrutura da
cristalina do CuO. Uma das consequências diretas é a obtenção de uma constante dielétrica
muito alta (ε' ~ 2,8-3,7x104) [2-3]. Neste trabalho, serão investigados os efeitos de mudanças
dos parâmetros de fabricação de amostras de óxido de cobre, no que tange aos valores de
diâmetros interno e externo de amostras toroidais. O intuito dessa pesquisa é encontrar uma
condição de processamento que resulte em amostras com dimensões ideais para o encaixe em
um adaptador tipo N que é utilizado como porta amostras na etapa de caracterização
eletromagnética, sem a necessidade de usiná-las. Ao final do trabalho, uma amostra com e
outra sem usinagem terão suas características eletromagnéticas (permeabilidade magnética e
permissividade elétrica complexas) analisadas por meio de um analisador de impedâncias,
com o objetivo de determinar as prováveis influências desse processo mecânico nas
propriedades eletromagnéticas do material em estudo.
Metodologia
O pó de CuO (Vetec) foi calcinado a 600°C por 8h. Após a calcinação, o material foi moído a
úmido em moinho excêntrico por 5h, utilizando-se álcool etílico. Essa etapa teve o objetivo de
diminuir o tamanho de partícula do material. O pó resultante foi então compactado em
formato toroidal, uniaxialmente, com pressão de 50,0 MPa. A matriz utilizada para a primeira
compactação foi com as dimensões de diâmetro interno e externo de (3,55 mm e 8,20mm)
respectivamente. A amostra obtida foi sinterizada a 920°C por 10h com taxa de aquecimento
de 5°C/min e resfriadas a 1°C/min até atingir a temperatura ambiente, conforme descrito na
referência [3]. Após utilizar os parâmetros da referência, foi feito um estudo com os tempos
de sinterização de 5h, 8h e 12h para observar o comportamento do material. As medidas de
diâmetro das amostras foram feitas em um projetor de perfil (Digimess mod. 400.400) que
mede o raio da amostras a partir de três pontos. Novas amostras foram confeccionadas
fixando-se o tempo de sinterização de 10h, e utilizando-se a matriz inicial e uma nova matriz
com as dimensões de diâmetro interno e externo de (3,8 mm e 8,0 mm) respectivamente. As
medidas eletromagnéticas normalmente são feitas em um analisador de impedâncias,
utilizando-se como porta amostras um adaptador tipo N. As amostras devem ter as dimensões
de diâmetro interno e externo de 3,1 mm e 6,9 mm respectivamente, para que esse adaptador
possa ser utilizado como porta amostras, sem a necessidade de processo mecânico (usinagem)
da amostra.
238
O preparo do primeiro lote de amostras identificou que as mesmas teriam que ser usinadas
para fazer as medidas de permissividade e permeabilidade. Com o estudo do tempo de
sinterização a melhor situação foi obtida com um tempo de sinterização de 10 horas, Figura 1,
contudo, as dimensões finais ainda não são adequadas para o uso direto no porta amostras.
Figura 1. Comportamento dos diâmetros da amostra em função do tempo de sinterização.
A partir do estudo de variação das pressões obteve-se que as amostras compactadas com
pressão de 38,2 MPa não apresentaram condições para transporte e manuseio. Porém, a
amostra compactada com a pressão de 50 MPa ficou com dimensões muito próximas de
diâmetro interno e externo (3,044 mm e 6,972 mm) das consideradas ideais.
Conclusões
Obteve-se uma amostra com dimensões muito próximas das consideradas ideais com as
condições de sinterização a 920ºC por 10h, utilizando a matriz nova, com pressão de 50MPa.
Entretanto, os parâmetros de processamento deverão ser modificados nas próximas etapas,
para contribuir com a padronização dos mesmos e evitar a usinagem das amostras.
Trabalhos Futuros
Nos próximos passos deste trabalho espera-se obter amostras com dimensões ideais para
realizar medidas eletromagnéticas, evitando a usinagem, e consequente mudança na
microestrutura que interfere em suas propriedades eletromagnéticas.
Agradecimentos
À “FAPESP” pelo financiamento do projeto 2012/01448-2; à agência de fomento
“CAPES/Pró Estratégia” pelo financiamento do projeto 26/2012; à agência de fomento
“CAPES/Pró Estratégia” pelas bolsas.
Referências
[1] MING, L.; FETEIRA, A.; SINCLAIR, D. C. Relaxor ferroelectric-like high effective
permittivity in leaky dieletrics/oxide semiconductors induced by electrode effects: A case
study of CuO ceramics. Journal of Applied Physics. v.105, 2009.
[2] SARKAR, S.; PRADIP, K. J.; CHAUDHURI, B.K. Copper (II) oxide as a giant dielectric
material. Applied Physics Letters. v.89, 2006.
[3] THONGBAI, P.; YAMWONG, T.; MAENSIRI, S. Correlation between giant dielectric
response and electrical conductivity of CuO ceramic. Solid State Communications. v.147, p.
385-387, 2008.
Art.45
239
ANÁLISE DA FORMAÇÃO DE POROSIDADE INTRAGRANULAR DE
FERRITAS Ni-Zn
1
S. A. Cunha1,2*; A. C. C. Migliano1,2, V. L. O. Brito1,2
2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos – SP
*
[email protected]
Palavras-chave: ferritas Ni-Zn; análise microestrutural; processamento cerâmico; sensores
Introdução
Ferritas Ni-Zn são materiais cerâmicos que apresentam uma gama de aplicações que vão
desde baixa frequência até microondas, e de baixa até alta permeabilidade. Essas ferritas são
consideradas uma das mais versáteis para uso na indústria eletrônica, e se destacam
principalmente por aplicações em dispositivos como antenas, núcleos de indutores,
transformadores, sensores, absorvedores de ondas eletromagnéticas, etc. [1]
Ferritas policristalinas, tais como as de Ni-Zn, são um sistema complexo composto de
cristalitos, contornos de grão e poros. As propriedades magnéticas desses materiais são
determinadas pela composição química, porosidade, tamanho de grão, entre outros.
Durante análises microestruturais por meio de imagens obtidas por Microscopia Eletrônica de
Varredura (MEV) e Microscopia de Força Atômica (AFM) de amostras de ferrita
Ni0,3Zn0,7Fe2O4 resultantes de trabalhos anteriores do grupo do Laboratório de Sistemas
Eletromagnéticos [2], observou-se uma característica até então não discutida na literatura: a
formação de poros que se orientam de forma aleatória entre os grãos, e de forma ordenada no
interior desses. Nesse sentido, o objetivo desse trabalho é fazer um estudo das etapas de
reestruturação dos monocristais que constituem a região do núcleo do grão da ferrita
Ni0,3Zn0,7Fe2O4 por meio de variações de pressão de compactação e tempo e temperatura de
sinterização das amostras. Para tal, serão utilizadas análises feitas por MEV e AFM.
Metodologia
A primeira etapa do trabalho foi voltada à análise microestrutural de uma pastilha produzida
no trabalho [2]. Para tal, foi utilizado o MEV disponível no Instituto de Física da USP
(IFUSP).
A segunda etapa teve o objetivo de obter amostras conformadas a partir do pó original
desenvolvido anteriormente, variando-se os parâmetros pressão de compactação e tempo de
sinterização. Para isso, foram compactados 3 lotes de pastilhas com três valores diferentes de
pressão aplicada: o valor convencional (Pc), 50 (Pm) e 200 % (Pp) dele, em prensa uniaxial.
Esses lotes de amostras foram sinterizados ao ar à 1300 ºC por 1, 2 e 3 horas, com taxa de
aquecimento de 200 ºC/h. Após sinterizadas, as pastilhas sofreram processo de metalografia,
com ataque térmico de 1200 ºC/10 min.
As condições de processamento do pó e da pastilha de Ni0,3Zn0,7Fe2O4 utilizados podem ser
conferidas em [2].
Resultados preliminares
As imagens da primeira pastilha, observada por meio de MEV e AFM, são apresentadas na
Figura 1.
240
Figura 1. Imagens obtidas a partir da amostra de Ni0,3Zn0,7Fe2O4 produzida em [2]: a) MEV;
b) AFM
Por meio da Figura 1-a, pode-se observar que ocorreu formação de poros intragranulares que
se orientam de forma aleatória entre os grãos, e de forma ordenada no interior desses. O
relevo dos poros presentes na superfície da amostra pode ser visto na Figura 1-b. Na Figura 2
são apresentadas as imagens de MEV resultantes das amostras produzidas na segunda etapa
do trabalho, sinterizadas à 1300 ºC/1h.
Figura 2. Amostras compactadas com pressões diferentes: a) Pc, b) Pm e c) Pp
Pela Figura 2 é possível notar que não há grandes diferenças na formação da porosidade
intragranular com a variação de pressão aplicada durante a compactação para as condições de
sinterização propostas nesse lote de amostra (1300 ºC/1h).
Conclusões
As amostras compactadas e sinterizadas a partir do pó original apresentaram porosidade
intragranular, e a diferença na pressão de compactação aplicada não influenciou nesse
resultado. As próximas etapas serão voltadas às análises microestruturais dos 2 lotes restantes,
ao processamento do pó da ferrita Ni0,3Zn0,7Fe2O4 sob as mesmas condições do trabalho
anterior, e à compactação e caracterização microestrutural de novas amostras.
Agradecimentos
Ao IEAv por disponibilizar a infraestrutura necesária; ao Projeto FAPESP nº2012/01448-2;
ao “Laboratório de Filmes Finos do Instituto de Física da Universidade de São Paulo”, Brasil,
pela instalação MEV e SPM (FAPESP proc.# 95/5651-0).
Referências
[1] CUNHA, S. A.; BRITO, V.L.O; MIGLIANO, A.C.C. Permeabilidade magnética
complexa de ferritas Ni-Zn dopadas com Co, Cu e Mg. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE
ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, 20, 2010, Campos do Jordão. Proceedings.
Brasil: São Paulo, 2010.
[2] BRITO, V. L. O. Seleção, elaboração e caracterização de ferritas Ni-Zn para
aplicação em monitores de corrente pulsada. 2007, 159p. Tese (Doutorado em Engenharia
Aeronáutica e Mecânica) - Instituto Tecnológico de Aeronáutica.
Art.46
241
CARACTERIZAÇÃO INICIAL DE UM CANHÃO DE ELÉTRONS
BASEADO EM UM PSEUDOSPARK 1
A. P. L. Guimarães1,2*; D. Carinhana Jr.2; A. C. de Oliveira2
Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos – SP
2
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Aerotermodinâmica e Hipersônica, São José
dos Campos – SP
*[email protected]
1
Palavras-chave: feixe de elétrons, plasma, dispositivo de alta tensão.
Introdução
O pseudospark (PS) é um dispositivo capaz de controlar altas tensões e é baseado numa
descarga pulsada de catodo oco. A descarga de PS foi descoberta em 1977 e desenvolvida
pela primeira vez como uma fonte de feixe de elétrons em 1978 por Christiansen e Schultheiss
da Universidade de Erlangen, Erlangen, Alemanha [1]. O comportamento da tensão de ruptura
(breakdown) de uma descarga PS é caracterizado por estar localizado sobre o ramo esquerdo
da curva de Paschen. O objetivo deste trabalho é fazer a caracterização inicial da descarga de
PS, pois o feixe de elétrons produzido servirá de instrumento para velocimetria em um túnel
de choque hipersônico.
Metodologia
O PS, utilizado como um canhão de elétrons, é formado por multieletrodos em formato de
discos com um furo central e separados por isolantes (Figura 1).
Figura 1. a) Esquema de um PS multieletrodos [2]. b) Vista em corte do PS.
A Figura 1a mostra o esquema do circuito utilizado. Para medidas de tensão, foi colocada no
catodo uma ponta de prova de alta tensão Tektronix P6015 ligada ao osciloscópio digital
Tektronix DPO3054, 500 MHz. Um transformador de corrente Pearson Electronics Inc.,
Modelo 411 com sensibilidade de 0,1 V/A, ligada ao mesmo osciloscópio, foi colocada entre
o capacitor e o catodo para medida da corrente que gera o feixe de elétrons. O circuito operou
com uma tensão de 20 kV, um capacitor C de 780 pF e um resistor R1 de 300 kΩ. Com este
arranjo, podemos obter um feixe de elétrons colimado que produz a excitação das espécies
químicas presentes no meio em que é incidido. Assim, o processo de relaxação dos átomos e
moléculas dá origem a uma emissão fluorescente do plasma formado.
1
Projeto HIPERVEL - Medidas de Velocidade em Escoamento Hipersônico
242
Podemos observar na Figura 2a a tela do osciloscópio com um resultado típico do perfil
temporal de tensão e de corrente no canhão de elétrons.
a)
b)
i)
ii)
Figura 2. a) Perfil temporal de tensão (i) e corrente (ii) no PS para geração do feixe de
elétrons; b) Fluorescência produzida pelo feixe de elétrons.
Por este perfil temporal temos que o valor de tensão é de 20 kV e o de corrente é de 380 A.
Estes valores são consistentes com os da literatura [3,4]. No lado direito da figura 2b podemos
observar a fluorescência produzida pelo feixe de elétrons colimado gerado pelo PS.
Conclusões
Foi realizada a caracterização inicial do pseudospark. Os resultados obtidos mostraram a que
condições o PS tem que ser submetido para seu funcionamento básico e isso nos permite
seguir os estudos para uma caracterização completa. Assim conheceremos a que condições ele
poderá será aplicado no túnel de choque hipersônico, visando às medidas de velocidade do
escoamento hipersônico.
Agradecimentos
Agradeço ao CNPq pela bolsa número 372705/2012-0.
Referências
[1] CHRISTIANSEN, J. and SCHULTHEISS C. Production of high current particle beams by
low pressure spark discharges. Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, Springer Berlin/
Heidelberg. v.290, p. 35-41, 1979.
[2] FRANK, K.; DEWALD, E.; BICKES, C.; ERNST, U.; IBERLER, M.; MEIER, J.;
PRUCKER, U.; RAINER, A.; SHLAUG,M.; SCHWAB, J.; URBAN, J.; WEISSER, W. and
HOFFMANN, D. H. H. Scientif and Technological Progress of Pseudospark Devices. IEEE
Transactions on plasma science, v.27, n.4, p. 1008-1020, 1999.
[3] CROSS, A.W.; YIN, H.; HE, W.; RONALD, K.; PHELPS, A. D. R. Pseudospark-sourced
beams of electrons and ions. In: 10TH EUROPEAN PARTICLE ACCELERATOR
CONFERENCE. Proceedings of EPAC 2006, Edinburgh: Scotland, 2006. p. 1711-1713.
[4] KUMAR, N.; PAL, U. N.; VERMA, D. K.; PRAJAPATI, J.; KUMAR, M.; MEENA, B.
L.; TYAGI, M. S.; SRIVASTAVA, V. Experimental Analysis of Pseudospark Sourced
Electron Beam. J Infrared Milli Terahz Waves, p. 1415-1423, 2011.
Art.47
243
CARACTERIZAÇÃO DAS PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS
DE FERRITAS DE COBALTO PARA APLICAÇÕES EM SENSORES
AEROESPACIAIS 1
B. A. Cunha1,2*; A. C. C. Migliano1, 2
Universidade Braz Cubas - Mogi das Cruzes – SP
2
*[email protected]
1
Palavras-chave: propriedades eletromagnéticas, ferritas de cobalto, sensores aeroespaciais.
Introdução
Ferritas são materiais cerâmicos importantes do ponto de vista de aplicações, onde podem ser
utilizadas em dispositivos como antenas, núcleos de indutores, transformadores, sensores,
absorvedores de ondas eletromagnéticas, etc. Ferritas de cobalto (CoFe2O4), em particular, são
atrativas devido às diversas aplicações encontradas na literatura: esses materiais apresentam
características que os tornam capazes de serem empregados em sensores de tensão mecânica,
atuadores piezomagnéticos, magnetômetros, transdutores magnetoelásticos, entre outros. Para
a determinação da aplicação desses materiais, faz-se necessário o conhecimento de suas
propriedades intrínsecas: a permeabilidade magnética (µr) e a permissividade elétrica (εr)
complexas. Dessa maneira, são obtidos dados suficientes para, com o auxílio de ferramentas
computacionais, simular desenvolvimento de estruturas eletromagnéticas, eliminando assim
os altos custos de prototipagem e de ensaios de conformidade. Entende-se por permeabilidade
magnética complexa a razão da indução magnética quando existe a incidência de um campo
eletromagnético. Já a permissividade elétrica complexa está relacionada à relaxação dielétrica,
que se refere à capacidade de polarização dos dipolos elétricos no material como resposta a
incidência de um campo eletromagnético alternado. [1] Dessa maneira, foram desenvolvidos
diversos métodos para a caracterização eletromagnética de materiais, sendo que tais métodos
podem utilizar medidas de impedância (sonda coaxial aberta/fechada, capacitor de eletrodos
paralelos) ou transmissão/reflexão (cavidade ressonante, espaço livre, linhas de transmissão).
Cada método permite a aquisição de uma ou das duas propriedades eletromagnéticas
complexas e possui limitações (faixa de frequência de medida, velocidade, divergências).
Portanto, a técnica mais adequada deve ser escolhida de forma a se obter os resultados mais
precisos e confiáveis.
Nesse sentido, o presente resumo tem o objetivo de apresentar o status de um projeto de
Iniciação científica, cujas metas são: fabricar amostras de ferrita de CoFe2O4 e determinar
suas características eletromagnéticas na faixa de frequência de 2 GHz à 4 GHz por meio do
método de transmissão/reflexão.
Metodologia
A seguir são detalhadas as etapas das atividades experimentais realizadas.
1. Processamento da matéria prima: A ferrita CoFe2O4 foi processada por meio do método
cerâmico convencional, com pré-sinterização à 1100 °C por 8 horas e taxa de aquecimento de
300 °C/h.
1
Projeto: Desenvolvimento de ferritas de cobalto para aplicações no encapsulamento de sensores em RFe
micro-ondas.
244
2. Conformação das amostras: Foram conformadas amostras em formato de toróides para a
avaliação das características eletromagnéticas. Essas foram submetidos à pressão de 50 MPa,
em prensa uniaxial.
3. Sinterização das amostras: As amostras conformadas foram sinterizadas com patamar de
1300 ºC por 2 horas e taxa de aquecimento de 200 oC/h.
4. Acabamento: As amostras sinterizadas passaram por retífica com o objetivo de ajustar as
dimensões de seus diâmetros para a etapa de caracterização eletromagnética.
5. Caracterização eletromagnética: As amostras tiveram suas características eletromagnéticas
determinadas por meio de um analisador de redes, operando na faixa de frequência proposta
(2 GHz à 4 GHz).
Resultados
A Figura 2 apresenta os resultados obtidos na caracterização eletromagnética da amostra
produzida.
Figura 2. Comportamento eletromagnético da amostra de ferrita de Co produzida: A)
Permissividade elétrica complexa e B) Permeabilidade magnética complexa.
Por meio da Figura 2 nota-se que o material apresenta um comportamento típico de Debye
para a parte real da permissividade elétrica (ε'), enquanto que os valores da parte imaginária
(ε'') aumentam ao longo da frequência. Os valores de permeabilidade real (µ') mantiveram-se
praticamente constantes, e a parte imaginária (µ''), devido à relaxação, apresentou valores
próximos a zero para essa faixa de frequência.
Conclusões
O material produzido apresentou comportamento Debye para ε', enquanto que os valores de
ε'', relacionados às perdas, aumentaram ao longo da frequência. Os valores de µ' mantiveramse praticamente constantes. Devido à relaxação da estrutura do material, ocorreu uma queda
no valor de µ'' nessa faixa de frequência. Tais características tornam o material apto para
aplicação em sensores magnetoelásticos.
Agradecimentos
Ao IEAv por disponibilizar a infraestrutura necessária e à FAPESP, processo nº2012/01448-2.
Referências
[1] VIOLIM LEMOS, L. Propriedades eletromagnéticas de amostras policristalinas de
CoFe2O4 na faixa de RF e microondas. São José dos Campos, 2010. 90p. Monografia (área
de Física e Química dos Materiais Aeroespaciais) - Curso de Engenharia Aeronáutica e
Mecânica, Instituto Tecnológico de Aeronáutica.
Art.48
245
PROCESSAMENTO E SINTERIZAÇÃO DE UM COMPÓSITO
CERÂMICO À BASE DE FERRITA E TITANATO DE BÁRIO1
1
R. S. Xavier1,4*; A. P. R. Uchoas2,4; L. A. Genova3; V. L. O. Brito4*
Universidade Federal de São Paulo – Bacharel em Ciência e Tecnologia, S. J. Campos - SP
2
Universidade do Vale do Paraíba – Engenharia Química, São José dos Campos - SP
3
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares – Centro de Ciência e Tecnologia de
Materiais, São Paulo - SP
4
Instituto de Estudos Avançados – Divisão de Física Aplicada, São José dos Campos - SP
*
[rosana.colaborador, vlobrito]@ieav.cta.br
Palavras-chave: processamento cerâmico; ferritas; sensores.
Introdução
Compósitos magneto-elétricos (ME) combinam fases magnetostrictivas e piezoelétricas,
podendo ser utilizados na geração de tensões elétricas à partir de campos magnéticos ou
tensões mecânicas [1,2]. Assim, compósitos ME podem ser utilizados para a geração de
energia a partir de vibrações e campos magnéticos presentes no ambiente, portanto, esses
materiais podem ser aplicáveis em sensores de campo magnético e úteis na geração de
energia em redes de sensores sem fio [2]. Quanto à microestrutura do compósito cerâmico,
recomenda-se que ela seja formada de grãos pequenos e que a porosidade seja mínima, de
forma a não prejudicar o acoplamento entre as fases. Os resultados obtidos no projeto
“Caracterização da magnetostricção de ferritas de cobalto”, concluído recentemente na EFA
motivaram em 2012 o início dos estudos experimentais em compósitos cerâmicos
magnetoelétricos à base de ferrita de cobalto e titanato de bário (
). Neste trabalho de
iniciação científica o compósito ME combina a fase magnetostrictiva, na qual foi processada
à partir de uma mistura de
e
, e como fase piezoelétrica o
. Neste resumo
são descritas as atividades e os resultados obtidos até abril de 2013.
Metodologia Experimental
Para o processamento da matéria prima, os óxidos de cobalto (
) e de ferro (
)
foram utilizados como matéria-prima, sendo a composição da ferrita formada por 60%
e 40%
. Os materiais foram misturados por meio do método de moagem e présinterizados à 850 °C por 4 h. Para o desenvolvimento do compósito ME, foi feita a análise
por meio de difração de raios-X do pó de
para confirmação da sua composição
química. Esta etapa contou com a colaboração do laboratório de polimento da Divisão de
Fotônica (EFO). Uma das proporções mais empregadas para as fases do compósito magnetoelétrico é de 15% em volume de ferrita e de 85% de
[3]. Seguindo essa
estequiometria, foi adicionado
à ferrita e em seguida essa mistura (lote 1) passou pelo
processo de mistura em moinho excêntrico. Foi feita uma segunda mistura com
(lote
2) na qual a ferrita de Co utilizada passou por um segundo tratamento térmico a 1300ºC por 2
h e após isto, foi adicionado
à ferrita. Foram realizadas análises térmicas por
dilatometria nos dois lotes para simular o comportamento das amostras do compósito ME
durante a sinterização. Esta etapa foi realizada com o apoio do Instituto de Pesquisas
Energéticas e Nucleares – Centro de Ciência e Tecnologia dos Materiais. Foram conformadas
pastilhas em prensa uniaxial, submetidas à pressão de 50MPa e sinterizadas em temperaturas
1
Projeto: Caracterização da Magnetostricção de Ferritas de Cobalto.
246
diferentes, selecionadas com base nos resultados dos ensaios de dilatometria. As massas
específicas das amostras sinterizadas foram medidas por meio do Método de Arquimedes. A
análise microestrutural das ferritas sinterizadas está em andamento e será realizada por meio
de microscopia eletrônica de varredura.
Na figura 1, são apresentados os resultados das análises térmicas, onde pode-se verificar que o
tratamento térmico realizado no pó de ferrita afeta o comportamento do compósito durante a
sinterização.
0.020
0.015
L/L0
0.010
0.005
0.000
850°C (1)
850°C + 1300 °C (2)
-0.005
-0.010
-0.015
0
200
400
600
800
1000
1200
Temperatura (°C)
Figura 1: Resultados da análise dilatométrica dos compósitos ME processado à partir das
ferritas dos dois lotes, sendo Lo o comprimento inicial da amostra e ΔL a variação do
comprimento.
Após a sinterização a 1200ºC por 1h, a amostra do lote 1 apresentou massa específica de
3,47 g/cm³ e a do lote 2 de 3,59 g/cm³. Amostras de
+
com outras
estequiometrias estão sendo processadas e variações nas condições de tratamento térmico
estão sendo testadas.
Conclusões
Os resultados preliminares indicam que a rota de processamento utilizada na ferrita afeta o
comportamento do compósito durante a sinterização. Os resultados das análises
microestruturais, que estão em andamento, indicarão como essa variação no processamento
afeta a microestrutura do compósito.
Agradecimentos
Ao CNPq, ao laboratório de polimento da EFO/IEAv, e aos integrantes do LSE/IEAv.
Referências
[1] FETISOV, Y. K.; BUSH, A. A.; KAMENTSEV, K. E.; OSTASHCHENKO, Y.;
SRINIVASAN, G. IEEE Sensors Journal, v.6, p.935-938, 2006.
[2] PRIYA, S.; RYU, J.; PARK C. S.; OLIVER, J.; CHOI, J. J.; PARK, D. S. Sensors, v.9, p.
6362-6384, 2009.
[3] LOKARE, S. A.; PATIL, D. R.; DEVAN, R. S.; CHOUGULE, S. S.; KOLEKAR, Y. D.;
CHOUGULE, B. K. Electrical conduction, dielectric behavior and magnetoelectric effect
in (x) BaTiO3 + (1-x) Ni0,94Co0,01Mn0,05Fe2O4 composites. Shivaji University, India, 2006.
Art.49
247
ESTUDO DE FRAMEWORKS DE METAHEURÍSTICAS
1
C. A. da Silva Jr1*; A. Passaro2; N. M. Abe2
Universidade Federal de São João del Rei - Departamento de Matemática, S J del Rei – MG
1
Instituto Tecnológico da Aeronáutica – PG/CTE, São José dos Campos – SP
2
*[email protected]
Palavras-chave: Otimização, Metaheurística, Framework.
Introdução
Otimizar processos do mundo real é algo essencial nos dias atuais. As metaheurísticas tem se
mostrado eficientes em obter boas soluções para muitos problemas da vida real.
A literatura apresenta diversas propostas de frameworks para implementação de
metaheurísticas . [3] apresenta um estudo para classificar alguns dos frameworks apresentados
na literatura, utilizando um conjunto de 30 características distintas.
O modelo de comparação apresentado no trabalho de [3] foi baseado na metodologia de
avaliação de tecnologia de software proposta por [1] e também utilizou um método de
abordagem sistemático e estruturado, proposto por [2].
O conceito de frameworks é importante, pois eles apresentam uma possibilidade de aplicar
várias técnicas de otimização simultâneas, com pouco esforço de desenvolvimento e
implementação, além de permitir resolver problemas no processo de otimização.
O Laboratório de Engenharia Virtual – LEV, da Divisão de Física Aplicada do IEAv, propôs
uma estrutura para um framework de metaheurísticas, mas somente o Algoritmo Genético foi
implementado até o momento. Duas novas metaheurísticas deverão ser implementadas na fase
inicial deste trabalho visando avaliar a funcionalidade e adequação da estrutura de framework
proposta.
O trabalho proposto visa contribuir para o desenvolvimento do framework citado, com a
inclusão de metaheurísticas adicionais e a adoção de técnicas hibridas de otimização. Esforço
adicional deverá ser realizado de forma a atender os aspectos classificatórios apresentados por
[3].
Metodologia
O trabalho tem início com um estudo detalhado de um conjunto de metaheurísticas e de
métodos híbridos para a implementação computacional no framework proposto. Algumas das
metaheurísticas consideradas na implementação inicial são Nuvens de Partícula (PSO) e
Recozimento Simulado (SA). O trabalho deverá envolver um refinamento de toda a
arquitetura do framework considerando, inicialmente, a usabilidade do pacote e os critérios
adotados em [3] para avaliação da qualidade de tais ferramentas. Em várias etapas do trabalho
deverão ser realizados testes de otimização de modelos e de solução de problemas inversos,
com uma análise comparativa do desempenho das diversas metaheurísticas para a resolução
de classes de problemas diferentes. Os tipos de problemas a serem considerados ainda estão
em avaliação.
O trabalho está em sua fase inicial e não existem ainda resultados a serem apresentados.
[3] propõem um conjunto de critérios para classificação de frameworks de metaheurísticas,
discute 33 frameworks e analisa um conjunto de 10 dessas ferramentas. Dentre os itens
248
analisados no artigo estão: qual quantidade e tipo de metaheurísticas disponíveis no
framework, qual é a técnica de cada metaheurística implementada pela maioria dos
frameworks, quais os mecanismos de adaptação dos frameworks atuais a fim de se adequar
para resolver um problema, se existe um “núcleo do conjunto dos mecanismos de adaptação”
utilizada por mais da metade dos frameworks avaliados, qual framework é mais adequado
para se adaptar a resolução de um problema específico, qual combinação de técnicas
(abordagens híbridas) é possível quando se utiliza o framework, se a hibridização é
amplamente explorada, e qual é o mecanismo mais comum de hibridização nos frameworks.
Aspectos considerados na seleção dos 10 frameworks estudados foram:
 a não melhoria do software ou a não correção de erros apresentados por usuários nos
últimos cinco anos;
 as ferramentas de otimização para serem avaliadas deveriam estar em frameworks
implementadas em linguagens voltadas a orientação a objeto, tais como JAVA e C++;
 a framework deveria suportar pelo menos duas técnicas de otimização diferentes.
Apesar do projeto da framework desenvolvido no LEV considerar a uniformização no uso de
diferentes metaheurísticas, apenas uma técnica foi efetivamente implementada. Como citado
na seção de Metodologia, duas metaheurísticas deverão ser implementadas de imediato
visando a primeira reavaliação do projeto proposto. Novas técnicas serão implementadas após
a revisão. Tais técnicas podem incluir metaheurísticas para múltiplos objetivos e técnicas de
otimização baseadas em confiabilidade do produto final. Os critérios sugeridos por [3] serão
foco de atenção especial durante o desenvolvimento, visto que muitos deles são coerentes
com a proposta original do framework em desenvolvimento do IEAv.
A avaliação da adequação do projeto do framework será feita com a sua aplicação a
problemas nos quais o LEV está envolvido atualmente, particularmente na área de sensores e
métodos de medição.
Conclusões
O trabalho aqui apesentado está apenas na fase inicial. Espera-se obter, com os resultados, um
framework que atenda conceitos de qualidade aceitos na literatura e que os resultados obtidos
nas análises de diferentes problemas venham a contribuir para a futura implementação de uma
solução computacional para hiper heurísticas [5].
Agradecimentos
Ao IEAv, ITA e à UFSJ e, em particular a todos os colegas do LEV que, de uma forma ou
outra, vêm contribuindo para o desenvolvimento do trabalho.
Referências
[1] BROWN, A.W., WALLNAU, K. C. A framework for evaluating software technology.
IEEE Softw 13(5):39–49. doi:10.1109/52.536457, 1996.
[2] KITCHENHAM, B. A. Procedures for undertaking systematic reviews.Tech. rep.,
Computer Science Department, Keele University. 2004.
[3] PAREJO, J. A., CORTÉS, A. R., LOZANO, S. and FERNANDEZ, P. Metaheuristic
optimization frameworks: a survey and benchmarking, Springer-Verlag, , Soft Comput
DOI 10.1007/s00500-011-0754-82011.
[4] TALBI, E., Metaheuristics. From Design to Implementation, John Wiley & Sons, Inc.,
Hoboken, New Jersey, 2009, 593p.
[5] BURKE, E.K; et.al. A Survey of Hyper-heuristics, Computer Science Technical Report n.
NOTTCS-TR-SUB-0906241418-2747, School of Computer and Information Technology,
University of Nottingham, 2009, 43p.
Art.50
249
Índice de autores
A
A. Assis ......................................................................... 80
A. Aumiller ................................................................... 65
A. C. C. Migliano .. 50, 125, 141, 145, 158, 186, 239, 241,
245
A. C. de Oliveira ......................................................... 243
A. C. M. Prado ............................................................ 151
A. E. O. Ferraz ............................................................ 233
A. F. N. Boss ............................................................... 145
A. J. Abdalla.................................................. 98, 191, 229
A. J. Damião .............................................. 22, 33, 45, 237
A. K. Hirata ................................................................... 50
A. P. L. Guimarães ...................................................... 243
A. P. R. Uchoas ........................................................... 247
A. Passaro........................................ 39, 56, 174, 196, 249
A. S. R. Ferreira .......................................................... 237
B
B. A. Cunha................................................................. 245
B. T. Sais ....................................................................... 70
C
C. A. da Silva Jr .......................................................... 249
C. A. Federico ............................................................. 151
C. L. Santos ................................................................. 119
C. S. T. Marques ................................................... 16, 213
C. T. Fernandes ............................................................. 56
D
D. A. S. Borges ........................................................... 102
D. C. Chagas ............................................................... 119
D. C. Vieira ................................................................. 158
D. Carinhana Jr.................................................... 164, 243
D. F. Carraro ............................................................... 102
D. M. Adamis .............................................................. 114
D. M. Pedroso ............................................................. 196
D. V. V. Cardoso ........................................................... 75
E
E. H. Shiguemori ...... 80, 85, 108, 114, 131, 135, 202, 219
E. M. Fraga.................................................................. 108
F
F. A. Souza .................................................................. 237
F. B. C. Machado .................................................. 75, 180
F. Dondeo .......................................................... 61, 65, 70
F. F. de Araújo ............................................................ 186
F. H. Oliveira .............................................................. 151
F. L. L. Medeiros......................................................... 114
F. Nascimento ............................................................... 33
G
G. C. C. Correard .......................................................... 10
G. de Vasconcelos ......................................... 98, 119, 225
G. N. Marques ............................................................... 39
G. P. Zanella........................................................ 141, 239
G. S. Vieira.................................................................. 235
H
H. A. Vieira ................................................................. 169
H. H. C. Pereira ............................................................. 92
H. R. Simoni................................................................ 229
H. S. Oliveira .............................................................. 119
I
I. K. L. Kam .................................................................. 14
J
J. A. S. Medeiros ......................................................... 158
J. B. R. Santos ....................................................... 16, 213
J. C. Arisseto ................................................................. 61
J. C. Baesso ................................................................... 22
J. C. M. Minatti ............................................................. 80
J. C. Minatti ................................................................ 237
J. E. C. Cruz ................................................................ 202
J. F. Cipeli ..................................................................... 92
J. G. A. B. Simões ....................................................... 231
J. J. de Farias Neto ...................................................... 169
J. S. Neto ....................................................................... 56
J. S. Santos .................................................................... 85
L
L. A. de Almeida ......................................................... 169
L. A. Genova............................................................... 247
L. C. Silva ..................................................................... 16
L. dos A. Cunha ............................................................ 75
L. F. A. Ferrão .............................................................. 75
L. G. Barreta ............................................................... 233
L. G. Oliveira .............................................................. 119
L. K. Sperotto................................................................ 39
L. M. Vialta................................................................. 164
L. N. F. Guimarães ...................................................... 202
L. O. F. Silva............................................................... 131
L. T. Miranda ................................................................ 22
L. V. Lemos .................................................................. 50
M
M. F. Mendonça .......................................................... 235
M. G. M. Rodrigues .................................................... 108
M. Habermann ............................................................ 135
M. J. P. Lamosa ............................................................ 85
M. M. de Carvalho ........................................................ 28
M. S. Amarante ........................................................... 239
M. S. F. Lima ...........................................10, 14, 229, 231
M. S. Moraes............................................................... 207
M. Y. A. Itoyama ........................................................ 191
N
N. M. Abe ........................................................... 174, 249
O
O. L. Gonçalez ...................................................... 92, 151
O. Roberto-Neto.................................................... 75, 180
P
P. S. Patrício ................................................................. 45
P. S. Silva Jr. ............................................................... 207
Q
Q. C. Eller ........................................................... 114, 219
R
R. A. Pena ................................................................... 135
R. A. Rebouças ........................................................... 135
R. C. Lopes ................................................................. 235
R. F. K. Spada ............................................................... 75
R. G. A. de Lima ................................................. 125, 145
R. M. Castro ................................................................ 207
R. M. Oliveira ............................................................. 229
250
R. Riva ........................................................................ 231
R. S. Xavier ................................................................. 247
R. Y. Tanaka ......................................................... 39, 174
S
S. A. Cunha ......................................................... 239, 241
S. A. Lourenço ............................................................ 158
S. Khouri ....................................................................... 98
S. M. Rovetta ................................................................ 98
S. O. Souza .................................................................... 85
T. L. S. Correa ............................................................ 225
V
V. A. Sousa ................................................................. 219
V. L. O. Brito .................................................50, 241, 247
V. Leite ......................................................................... 80
V. S. F. O. Leite .......................................................... 102
V. Teleginski ............................................................... 119
W
W. Miyakawa ........................................................ 98, 231
T
T. A. F. Ganga ............................................................... 28
Art.51
251

Livro de resumo - IEAv

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