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[pt] ESTUDO EXPERIMENTAL E NUMÉRICO DO COMPORTAMENTO DE COMPÓSITOS REFRATÁRIOS EM DIFERENTES TEMPERATURAS / [en] EXPERIMENTAL AND NUMERICAL STUDY OF REFRACTORY COMPOSITES BEHAVIOR AT DIFFERENT TEMPERATURES

WALTER GABRIEL BAREIRO 09 October 2019 (has links)
[pt] Neste estudo diferentes concretos a base de cimento aluminoso foram desenvolvidos e caracterizados em termos de seu comportamento termomecânico para uma ampla faixa de temperaturas (25-1200 graus Celsius). Primeiramente, três refratários com diferentes teores de alumina (51, 71 e 90 porcento em peso) foram estudados para caracterizar seus comportamentos químico e mecânico em diferentes temperaturas. Para isso vários tipos de ensaios experimentais, após aquecimento e resfriamento, foram realizados: ensaios microestruturais, químicos, de compressão uniaxial, tração direta e flexão em três pontos. Com esses resultados foi desenvolvido, através de simulações numéricas, um novo tipo de revestimento combinando os três refratários em camadas. A solução mais eficiente em termos de gradiente térmico foi a combinação que usou o refratário com 90 porcento de alumina como camada interna e os refratários de 71 porcento e 51 porcento como as camadas média e externa, respectivamente. Um material compósito refratário reforçado com fibras de aço inoxidável foi também desenvolvido. Para isso o concreto refratário com 51 porcento de alumina foi selecionado, pois apresentou o melhor comportamento mecânico nas temperaturas analisadas (até 1200 graus Celsius). Três tipos de fibras foram consideradas: lisa, ondulada e recartilhada. Além da realização dos mesmos tipos de ensaios feitos para a matriz refratária, foram também realizados ensaios cíclicos, de arrancamento de fibras e estruturais (painéis circulares). Os ensaios forneceram os parâmetros necessários para o modelo constitutivo de dano plástico disponível no programa de elementos finitos ABAQUS. O modelo constitutivo foi validado através de simulações termomecânicas do ensaio do painel circular. Concluiu-se que o comportamento termomecânico dos compósitos refratários com a adição de fibras de aço inoxidável foi significativamente melhor do que do refratário sem reforço. O compósito com a fibra recartilhada foi o que teve o melhor desempenho devido à forte aderência da fibra com a matriz. Os resultados experimentais e as simulações numéricas mostraram que o efeito de reforço beneficia o comportamento mecânico pré-pico e pós-pico dos compósitos refratários. A influência do endurecimento por deformação observada na fase inicial das curvas e do abrandamento (softening) pós-pico indicam a importância desses parâmetros para projetos estruturais. O dano do compósito refratário foi analisado através da análise de correlação digital de imagem para estudar a propagação da fissura nas várias temperaturas. Observou-se que com o aumento de temperatura a propagação da fissura fica mais lenta e a abertura da fissura fica menos acentuada. Conclui-se então que esses materiais são apropriados para utilização em aplicações que envolvem temperaturas elevadas. / [en] In this study different concretes based on aluminous cement were developed and characterized in terms of their thermomechanical behavior over a wide temperature range (25-1200 Celsius degrees). First, three refractories with different alumina contents (51, 71 and 90wt. percent) were studied to characterize their chemical and mechanical behavior at different temperatures. For this, several types of experimental tests, after heating and cooling, were carried out: microstructural, chemical, uniaxial compression tests, direct tensile tests and three-point bending test. With these results, a new type of coating was developed through numerical simulations combining the three refractories in layers. The most efficient solution in terms of thermal gradient was the combination that used the refractory with 90 percent of alumina as the inner layer and the refractories of 71 percent and 51 percent as the middle and outer layers, respectively. A refractory composite material reinforced with stainless steel fibers was developed. For this, the refractory concrete with 51 percent of alumina was selected, since it presented the best mechanical behavior at the analyzed temperatures (up to 1200 Celsius degrees). Three types of fibers were considered: straight, wavy and knurled. In addition to performing the same types of tests for the refractory matrix, cyclic, fiber pullout and structural tests (round panels) were also performed. The tests provided the parameters for the Damage Plasticity constitutive model available in the finite element software ABAQUS. The constitutive model was validated through thermomechanical simulations of the round panel test. It was concluded that the thermo-mechanical behavior of the refractory composites with the addition of stainless steel fibers was significantly better than the non-reinforced refractory. The composite with the knurled fiber was the one that had the best performance due to the strong bond of the fiber to the matrix. The experimental results and numerical simulations showed that the reinforcement effect benefits the pre-peak and post-peak mechanical behavior of the refractory composites. The influence of the strain-hardening observed in the initial phase of the curves and the softening post-peak indicated the importance of these parameters for structural projects. The damage of the refractory composite was analyzed through digital image correlation to study the crack propagation at various temperatures. It has been observed that with the increase in temperature the propagation of the crack becomes slower and the opening of the crack becomes less pronounced. It is therefore concluded that such materials are suitable for use in applications involving high temperatures.
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[en] IN-SITU REDUCTION SYNTHESIS AND MICROSTRUCTURAL CHARACTERIZATION OF CU-AL2O3 E NI-AL2O3 NANO-COMPOSITES / [pt] SÍNTESE POR REDUÇÃO IN-SITU E CARACTERIZAÇÃO MICROESTRUTURAL DOS NANO-COMPÓSITOS CU-AL2O3 E NI-AL2O3

MARCELO SENNA MOTTA 03 November 2003 (has links)
[pt] Os compósitos Cu-Al2O3 possuem excelente resistência a recozimentos em altas temperaturas bem como altas condutividades térmica e elétrica. Uma dispersão nanométrica uniforme de partículas cerâmicas na matriz metálica confere características únicas ao material, possibilitando a sua utilização como, por exemplo, resfriadores ativos. Por outro lado, estas propriedades são essencialmente dependentes da microestrutura do material, que por sua vez, varia de acordo com o método de preparação adotado. Os principais objetivos do presente trabalho são a introdução de um novo método de síntese e a caracterização microestrutural dos nano-compósitos Cu- Al2O3 e Ni- Al2O3. Este método é dividido em dois processos, ambos combinando as características de uma rota química para a preparação de uma mistura em pó de CuO ou NiO e Al2O3, com as vantagens do processamento in-situ de materiais, através da redução preferencial com H2 do CuO ou NiO. No processo 1, o Al2O3 é formado in-situ através da adição de uma solução de Al(NO3) 3 ao pó de CuO ou NiO. No processo 2, tanto o CuO ou NiO como o Al2O3 são formados in-situ a partir de uma solução contendo os nitratos de Cu ou Ni e Al. Os estudos termodinâmicos e cinéticos apresentados mostraram que as reduções do CuO para Cu e do NiO para Ni são viáveis, mesmo em baixas temperaturas (200-400oC). Amostras de Cu- Al2O3 (0,5, 1 e 5% em peso) foram analisadas por difração de Raios-X, microscopia eletrônica de varredura (MEV), e microscopia eletrônica de transmissão (MET) convencional, de alta resolução e de varredura. Os cristais de Cu da matriz variam de 50 a 250/300 nm para o Cu- Al2O3 (5% em peso)-processo 1 e possuem um tamanho médio de 500/600 nm para os compósitos contendo 0,5 e 1% em peso de Al2O3, também preparados pelo processo 1. O diâmetro das partículas de Al2O3 varia de 10 a 60/70 nm. Os nano- compósitos Cu- Al2O3 (0,5, 1 e 5 % em peso)-processo 2 possuem uma microestrutura formada por uma distribuição homogênea de Cu, Al e O. Os nano-compósitos preparados por ambos os processos apresentaram a formação de uma terceira fase, que pode ser CuAlO2 ou CuAl2O4. Nano-compósitos Ni- Al2O3 (0,5% em peso)-processo 2 também foram obtidos com sucesso, apresentando uma microestrutura similar a do Cu- Al2O3. Ligas Cu-Ni também foram obtidas em baixas temperaturas (400oC) através da redução por H2 de uma mistura de CuO-NiO preparada através do processo 2. / [en] Cu-Al2O3 composites are reported to have excellent resistance to high temperature annealing as well as high thermal and electrical conductivities. The uniform dispersion of nanometric ceramic particles in the metallic matrix provides unique characteristics to the material, enabling their application in high temperature and corrosive atmospheres. The special physico-chemical and mechanical properties are essentially dependent on the material`s microstructure, which in turn, will vary according to the composite preparation method. The main objectives of the present work are the introduction of a novel method for the preparation of Cu-Al2O3, Ni-Al2O3 nano- scale composites and their characterization. The preparation method is divided into two processes. In process 1, Al2O3 is formed in-situ by the addition of Al (NO3)3 solution to CuO powder, while in process 2, CuO or NiO and Al2O3 are formed in-situ from a water solution containing the dissolved nitrates of Cu or Ni and Al. Both the processes combine the advantages of chemical routes with that of in-situ processing, through the preferential H2 reduction of the CuO or NiO, contained in the mixture. The thermodynamics and kinetics studies presented have shown that the reductions of CuO to Cu and NiO to Ni are viable at a very low temperature (200-450oC). The Cu-Al2O3 (0.5, 1 and 5 wt%) specimens thus prepared have been examined by X-ray diffraction, scanning electron microscopy (SEM) and conventional, high resolution and scanning transmission electron microscopy (CTEM, HRTEM and STEM). The Cu crystals range from 50 to 300 nm for the Cu-Al2O3 (5 wt%)-process 1 and have an average grain size of 500/600 nm for the Cu-Al2O3 (0,5 and 1 wt%)-process 1, while the Al2O3 particles range from 10 to 60/70 nm in all cases. The Cu- Al2O3 (0.5, 1 and 5 %Peso)-process 2 composites are composed of a homogeneous dispersion of Cu, Al and O. Composites prepared by both the processes, have exhibited the formation of a third phase, which is suggested to be CuAlO2 and/or CuAl2O4. The Ni-Al2O3 (0.5 wt%) nano-scale composites have also been successfully prepared through process 2 and their characterization revealed a microstructure similar to that of the Cu-Al2O3 samples. By applying process 2, it has also been possible to co-form CuO and NiO. This co-formed oxide mixture has been reduced in H2 atmosphere at a low temperature of 400oC to produce a homogeneous nano-powder of a Cu-Ni (50 at%) alloy.
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[en] SOLID-SOLID INTERACTIONS STUDY OF MOO3 AND ALUMINAS AND OF WO3 AND ZRO2 / [pt] ESTUDO DA REAÇÃO EM ESTADO SÓLIDO ENTRE MOO3 E ALUMINAS E ENTRE WO3 E ZRO2

JORGE SIQUEIRA DA CRUZ 17 December 2004 (has links)
[pt] Sistemas Mo/Al2O3 e W/ZrO2 foram estudados a fim de evidenciar se a reação WO3+ZrO2 ocorre no estado sólido, e se a reação MoO3+Al2O3, também no estado sólido, ocorre com aluminas porosas. Para tanto, essas misturas foram preparadas utilizando-se dois teores de Mo e de W, respectivamente: 5 e 10 µmolMo/m2 de suporte alumina e 10 e 16 µmolW/m2 de suporte zircônia sendo tratadas a 773 K. Para o caso dos sistemas Mo/Al2O3, foram utilizadas três aluminas com diferentes propriedades, tais como: área específica, porosidade, grau de hidroxilação e distribuição de grupos OH superficiais. Para os sistemas W/ZrO2, verificou-se também o efeito de temperatura de tratamento mais elevada: 973 K. Todas as amostras obtidas foram caracterizadas pelas técnicas de: difração de raios-X, adsorção de N2, espectroscopia de absorção na região do infravermelho e de reflectância difusa no UV-visível. Considerando-se os sistemas Mo/Al2O3, verificou-se que o MoO3 reagiu com as três aluminas, apesar da maior dificuldade de difusão de massa devido à textura das aluminas porosas, formando estruturas de Mo diferentes do óxido original, sendo que a maior dispersão, sobre o suporte, das espécies de Mo geradas parece estar relacionada à presença de grupos hidroxila mais básicos. Para os sistemas W/ZrO2, os resultados também evidenciaram que foram geradas espécies de tungstênio diferentes do WO3 original, sendo que a utilização da maior temperatura de calcinação levou à formação de mais espécies de W dispersas sobre o suporte. / [en] Mo/Al2O3 and W/ZrO2 systems have been studied in order to verify if the WO3+ZrO2 reaction occurs in solid state, and if the MoO3+Al2O3 reaction also occurs with porous alumina in the solid state. These mixtures were prepared using two Mo and W loadings: 5 and 10 µmolMo/m2 of support alumina and 10 and 16 µmolW/m2 of support zirconia, and they were calcined at 773 K. For Mo/Al2O3 systems three aluminas with different properties, such: specific area, porosity, hydroxylation degree, and OH groups distribution were used. For W/ZrO2 systems the effect of a higher treatment temperature: 973 K was also evaluated. All samples were characterized by the following techniques: X- ray diffraction, N2 adsorption, infrared absorption spectroscopy, and UV-vis diffuse reflectance spectroscopy. For Mo/Al2O3 systems it has been verified that molibdenum oxide reacted with the aluminas even though the mass transfer difficulties related to the porosity, forming Mo structures distinct from MoO3, which higher Mo dispersion may be related to more basic hydroxyl groups. For W/ZrO2 systems, the results have also shown that W species different from WO3 were obtained, and higher calcination temperature promoted the formation of more dispersed species onto the support.
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[en] EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF ALUMINA-COATED P92 STEEL TO HIGH TEMPERATURES CORROSION / [pt] AVALIAÇÃO DA EFICÁCIA DA ALUMINA COMO REVESTIMENTO DO AÇO P92 NA CORROSÃO EM ALTAS TEMPERATURAS

GERSON ORTIZ GALLO 07 January 2019 (has links)
[pt] A redução na emissão de CO2 na atmosfera é um dos desafios atuais mais importantes enfrentados por diferentes indústrias no mundo. A geração de energia através da queima de combustíveis fósseis utilizando oxigênio puro [1], também chamada de tecnologia de oxicombustão, é uma opção utilizada pelas indústrias de geração de energia para minimizar os índices de concentração de CO2 até emissão ZERO [1,2]. Inevitavelmente, as tubulações dos trocadores de calor que conformam aquelas plantas de energia, sofrem corrosão em contato com os gases de combustão (H2O-CO2) em altas temperaturas. Estas tubulações, fabricadas com aço ou com ligas ferro-cromo vem sendo utilizadas no intuito de reduzir a corrosão. Tubulações com revestimentos/recobrimentos protetores tem sido também considerados para aumentar a resistência a processos corrosivos sem requerer o emprego de ligas de alto custo. Um revestimento adequado deve ser inerte e estável em altas temperaturas como é o caso dos materiais cerâmicos. A alumina, sendo um material estável em ambientes característicos do processo de oxicombustão apresenta características favoráveis para esta proteção [3]. Amostras de Fe-Cr foram oxidadas sob condições que simularam processos de Oxicombustão nos laboratórios do Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlim-Alemanha. O processo ocorreu a 650 graus Celsius durante 2000 h, em atmosfera contendo 60 por cento CO2,30 por cento H2O, 7 por cento N2, 2 por cento O2 e 1 por cento SO2. A caracterização microestrutural das amostras oxidadas foi realizada nos laboratórios do instituto Nacional de Tecnologia (INT), utilizando técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV) e Espectroscopia por Dispersão de Energia de Raios-X (EDS). Foram produzidos riscos na superfície do revestimento de Al2O3, previamente aos testes de oxidação, para simular falhas no revestimento; além da eficácia do revestimento de alumina, foi também avaliado o papel do cromo como meio protetor contra a corrosão e de outros elementos de liga no processo de oxidação do aço P92, buscando identificar o mecanismo de oxidação. Como resultado do fluxo dos gases de oxicombustão há formação de camadas de Fe3O4, Fe2O3 e cromo-espinélio nas ligas sem revestimento. As amostras que possuíam o revestimento de alumina apresentaram ótima proteção, com resultados de uma alta eficácia, enquanto as amostras que tinham riscos apresentaram uma oxidação interna de oxidação cromo-espinélio protetor na matriz logo abaixo da região afetada. / [en] The reduction in the emission of CO2 in the atmosphere is one of the most important problems faced by different industries in the world. The generation of energy from oxyfuel oxygen, [1], also called Oxyfuel technology, is a matter of CO2 emission for ZERO [1,2]. Inevitably, as pipes of the heat exchangers that make up these power plants, they suffer corrosion in contact with the flue gases (H2O-CO2) at high temperatures. These pipes, made of steel or iron-chromium alloys, are not used instead of reducing corrosion. Pipes with protective coatings have already been submitted to increase resistance to corrosive processes without requiring the use of high cost alloys. One which must be inert and static at high temperatures is the case of ceramic materials. An alumina, being a suitable material to the environments characteristic of the Oxyfuel process, presents characteristics favorable to the protection [3]. Fe-9Cr samples were oxidized under conditions that simulated Oxyfuel processes in the laboratories of the Bundesanstalt Für Materialforschung Und-Prüfung (BAM) Berlin-Germany. The process occurred at 650 degree Celsius for 2000 h, in an atmosphere containing 60 percent CO2, 30 percent H2O, 7 percent N2, 2 percent O2 and 1 percent SO2. The microstructural characterization of the oxidized samples was performed in the laboratories of the National Institute of Technology (INT), using Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-ray Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) techniques. Risks were produced on the Al2O3 coating surface, prior to the oxidation tests, to simulate coating failures; besides the effectiveness of the alumina coating, the role of chromium as a protective medium against corrosion and other alloying elements in the oxidation process of P92 steel was also evaluated, in order to identify the oxidation mechanism. As a result of the flow of oxyfuel gases, Fe3O4, Fe2O3 and chromium-spinel layers are formed in the alloys without coating. The samples that had the alumina coating presented optimum protection, with results of a high efficiency, while the samples that had scratches presented an internal oxidation of protective chromium-spinel oxidation in the matrix just below the affected region.

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