[pt] O Polietileno de Alta Densidade (PEAD) é um dos materiais mais conhecidos e é utilizado em diversos campos de aplicação. Apesar de suas inúmeras qualidades, como baixa densidade, alta ductilidade e alta resistência específica, esse material possui algumas desvantagens que limitam a sua aplicabilidade, tais como baixa rigidez, baixa estabilidade térmica e alta expansividade térmica. Por outro lado, existe uma classe seleta de materiais que possuem coeficiente de expansão térmica (CET) negativo ou próximo de zero. Pertencem a esse grupo, por exemplo, as cerâmicas da família A2M3O12, como o In2W3O12 (tungstato de índio). Tendo isso em vista, a proposta deste trabalho foi estudar diferentes métodos de mistura física entre esses dois materiais para fabricar e caracterizar compósitos de PEAD reforçados por nanopartículas de In2W3O12 com CET reduzido e propriedades mecânicas aumentadas em relação ao polímero. Primeiramente, sintetizaram-se nanopartículas de In2W3O12 pelo método de coprecipitação. Suas temperaturas de cristalização (aproximadamente 530 graus Celsius) e de transformação de fase monoclínica/ortorrômbica (259 graus Celsius) foram determinadas por análise térmica simultânea, e seus parâmetros de rede à temperatura ambiente foram determinados por DRX. Além disso, calcularam-se os CET s intrínsecos do In2W3O12 para ambas as suas fases por DRX in situ com temperatura variável. Foi encontrado, pela primeira vez, um CET intrínseco negativo para sua fase ortorrômbica, de alpha1 igual a menos 1,5 multiplicado por 10 elevado a menos 6 e K elevado a menos 1. Em seguida, fabricaram-se compósitos a partir de pellets de PEAD e das nanopartículas de In2W3O12 por microextrusão e microinjeção precedidas por uma etapa de pré-mistura. Dois parâmetros do processo de fabricação foram variados: a fração de carga no compósito (0,5; 2; 4 e 10 por cento) e o método de pré-mistura (sem pré-mistura; por vibração dentro de um moinho sem as bolas de moagem; e em uma autoclave giratória a 190 graus Celsius e pressão ambiente). Finalmente, os compósitos foram caracterizados por ensaios de tração, dilatometria e análise termogravimétrica. Todos os compósitos apresentaram incremento no módulo de elasticidade e no limite de escoamento, obtendo-se aumentos de até 45 por cento e 17 por cento, respectivamente, em relação ao PEAD puro. Os materiais preparados no moinho com 10 por cento p de reforço apresentaram os melhores resultados. De forma geral, os compósitos submetidos a algum tipo de pré-mistura tiveram melhores propriedades mecânicas do que os que não foram pré-misturados. Por outro lado, os compósitos não apresentaram uma grande redução no CET em relação ao PEAD. O melhor resultado encontrado foi uma redução de 6 por cento para os materiais sem pré-mistura com 4 por cento p de reforço. A temperatura de degradação dos compósitos sem pré-mistura também não apresentou melhora significativa. O maior incremento foi de 1,5 por cento em relação ao PEAD puro, encontrado para os materiais com 0,5 por cento p de carga. Finalmente, amostras de PEAD puro submetidas aos diferentes métodos de pré-mistura foram analisados por DSC. Constatou-se que a temperatura de fusão não é alterada, mas a entalpia de fusão e o grau de cristalinidade aumentam com a pré-mistura por vibração (8 por cento) e ainda mais com a pré-mistura na autoclave (15 por cento) em relação ao PEAD puro como recebido. / [en] High-density polyethylene (HDPE) is one of the most widely used materials. Despite its numerous qualities, such as low density, high ductility, and high specific strength, HDPE presents certain disadvantages that limit its applicability, like low stiffness, low thermal stability, and high thermal expansion. In contrast, there is a select group of materials that display negative or near-zero coefficient of thermal expansion (CTE). Ceramics belonging to the A2M3O12 family, which includes In2W3O12 (indium tungstate), are examples of such materials. Therefore, this dissertation proposes to examine different methods of physical mixture in order to produce and characterize HDPE composites reinforced with In2W3O12 nanoparticles with reduced CTE and better mechanical properties than the neat polymer. Firstly, In2W3O12 nanoparticles were synthesized by coprecipitation. Simultaneous thermal analysis proved their crystallization temperature and monoclinic/orthorhombic phase transition temperature to be approximately 530 Celsius degrees and 259 Celsius degrees, respectively. The lattice parameters at room temperature were determined by XRD, and the intrinsic CTE s for both phases were calculated by variable-temperature in situ XRD. For the first time, a negative intrinsic CTE was found for the orthorhombic phase (Alpha 1 equal than minus 1.5 multiplied 10 power minus 6 and K power minus 1). Secondly, composites were produced from HDPE pellets and the In2W3O12 nanoparticles by microextrusion and microinjection preceded by a pre-mixing step. Two fabrication parameters were analyzed: the filler content (0.5, 2, 4, and 10wt percent were used) and the pre-mixing method (no pre-mixture, by vibration within a mill without balls, and in a rotating autoclave at 190 Celsius degrees and ambient pressure). Finally, the composites were characterized by tensile tests, dilatometry, and thermogravimetric analysis. All of the composites presented higher Young s modulus and yield stress than neat HDPE, with increases of up to 45 percent and 17 percent, respectively. The best results were displayed by the materials that were pre-mixed in the mill with 10wt percent filler fraction. In general, both pre-mixing methods improved the composites mechanical properties. On the other hand, the polymer s CTE was not significantly reduced, being decreased by 6 percent in the best case. The degradation temperature showed almost no improvement, with a 1.5 percent increase for the composites with 0.5 percent filler content. Lastly, neat HDPE samples exposed to the different pre-mixing methods were analyzed by differential scanning calorimetry and compared with the as-received pellets. Results showed that the melting temperature was not affected by the mixing techniques, but both the enthalpy of fusion and the degree of crystallinity were increased by 8 percent and 15 percent for the samples pre-mixed by vibration in the mill and by rotation in the autoclave, respectively.

[pt] Embora a grande maioria dos materiais dilate quando aquecida e contraia quando resfriada, existe uma classe de materiais que se contrai, ou não muda de dimensões, ao aquecida, apresentando um coeficiente de expansão térmico negativo (ETN) ou próximo à zero (ETZ), respectivamente. A possibilidade de reduzir significativamente o coeficiente de expansão térmica, e ao mesmo tempo, incrementar suas propriedades físicas tem sido a principal força motriz na busca por fases cristalinas dentro da família A(2)M(3)O(12) e suas subfamílias. Tendo isso em vista, a proposta deste estudo foi sintetizar dois sistemas novos, ZrMg(1- x)Zn(x)Mo(3)O(12) (x=0,1; 0,3; 0,35; 0,4) e ZrMg(1-x)Ni(x)Mo(3)O(12) (x=0,05; 0,1; 0,15; 0,2), para tentar reduzir o coeficiente de expansão térmica da fase mãe, a ZrMgMo(3)O(12). O limite de solubilidade de Zn(2+) e Ni(2+) no sistema ZrMgMo(3)O(12) se encontra no intervalo de 0,35 menor ou igual à x menor ou igual à 0,4 e 0,1 menor ou igual à x menor ou igual à 0,2, respectivamente. O menor coeficiente de expansão térmica (alfa l =2,82x10(-7)K (-1)) foi obtido para a composição x=0,1 no sistema ZrMg(1-x)Zn(x)Mo(3)O(12) na faixa de temperatura de 213 K a 298 K. Neste sistema, a transição de fase de monoclínica para ortorrômbica foi observada, ocorrendo abaixo da temperatura ambiente para todas as composições de x=0,1 a x=0,4. Esta temperatura de transição aumenta conforme aumenta a composição de Zn(2+). As análises de termogravimetria indicaram que as fases dos dois sistemas não são higroscópicas. Aplicando a equação de Kubelka-Munk, e considerando uma transição indireta para o ZrMg(1-x)ZnxMo3O12, concluiu-se que não existem diferenças significativas na energia de banda proibida das fases analisadas. No entanto, para uma transição indireta para o ZrMg(1-x)Ni(x)Mo(3)O(12) existe um decréscimo da energia da banda de energia, conforme o conteúdo de Ni(2+) aumenta na composição, além do surgimento da absorção no espectro visível devido à transição d-d. Por fim, os resultados deste estudo mostraram que é possível obter um material cerâmico, dentro dos sistemas estudados, que apresente um comportamento de expansão térmica próxima à zero. / [en] Although the vast majority of materials dilates when heated and contract when cooled, there is a class of materials that contracts or does not change their dimensions when heated, presenting a negative thermal expansion coefficient (NTE) or close to zero (ZTE), respectively. The possibility of reducing the coefficient of thermal expansion while increasing its physical properties has been the main driving force in the search for crystalline phases within the A(2)M(3)O(12) family and its subfamilies. In the present study, we propose to synthesize two new systems, ZrMg(1-x)Zn(x)Mo(3)O(12) (x = 0.1, 0.3, 0.35, 0.4) and ZrMg(1-x)Ni(x)Mo(3)O(12) (x = 0.05; 0.1, 0.15, 0.2), to try to reduce the coefficient of thermal expansion of the ZrMgMo(3)O(12) phase. The solubility limit of Zn(2+) and Ni(2+) in the ZrMgMo(3)O(12) system is in the range of 0.35 less than or equal to x less than or equal to 0.4 and 0.1 less than or equal to x less than or equal to 0.2, respectively. The lowest coefficient of thermal expansion (alfa l=2.82x10(-7)K (-1)) was obtained for the composition x = 0.1 in the ZrMg(1-x)Zn(x)Mo(3)O(12)system in the temperature range of 213 K to 298 K. In this system, the phase transition from monoclinic to orthorhombic was observed, occurring below the room temperature for all compositions from x = 0.1 to x = 0.4. This transition temperature increases as the Zn(2+) composition increases. Analyzes of thermogravimetry indicated that the phases of the two systems are not hygroscopic. Applying the Kubelka-Munk equation, and considering an indirect transition to ZrMg(1-x)Zn(x)Mo(3)O(12), it was concluded that there are no significant differences in the band gap energy of the analyzed phases. However, for an indirect transition to ZrMg1-xNixMo3O12 there is a decrease in energy of the band energy, as Ni2+ content increases in composition, in addition to the appearance of absorption in the visible spectrum due to d-d transition. Finally, the results of this study showed that it is possible to obtain a ceramic material, within the systems studied, that presents a thermal expansion behavior close to zero.

[pt] O principal objetivo deste trabalho foi estudar o sistema Al2-xGaxW3O12 (x = 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1; 2) visando compreender os efeitos da substituição parcial de Al3+ (r = 0,67 Angstrom) por Ga3+ (r = 0,76 Angstrom) em relação ao coeficiente de expansão térmica da fase Al2W3O12. Foi determinado que o limite de solubilidade de Ga3+ no sistema é x = 0,5, as composições x maior ou igual 0,6 evidenciaram, por difração de raios-X (DRX), a presença de WO3 como fase secundária. Os difratogramas das composições 0,2 menor ou igual x menor ou igual 0,5, a temperatura ambiente, apresentaram exclusivamente linhas características do sistema monoclínico (P21/a). A transição para a fase ortorrômbica (Pbcn), foi evidenciada por DRX in situ e dilatometria e ocorre abaixo de 100 C em todos os casos. A temperatura de transição de fase, determinada por dilatometria, aumentou conforme foi aumentada a incorporação de Ga3+ na estrutura cristalina. A análise termogravimétrica das composições monofásicas revelou que essas fases não são higroscópicas. Embora Al1,5Ga0,5W3O12, seja a composição monofásica com maior teor de Ga, a fase Al1.6Ga0.4W3O12 foi a que apresentou o menor coeficiente de expansão térmica linear, alfa L= 1.14 K -1, uma redução de 25 por cento quando comparado ao coeficiente linear de expansão da fase Al2W3O12. O refinamento pelo método de Rietveld do padrão de difração de raios-X obtido a 100 C da Al1.6Ga0.4W3O12 ortorrômbica, confirmou que o Ga3+ substituiu o Al3+ na proporção descrita pela fórmula química nominal e evidenciou que as distorções poliédricas, Al(Ga)O6 e WO4, foram maiores do que as observadas em fases desta família. A espectroscopia de Raman corroborou as análises de DRX quanto ao limite de solubilidade, porém, evidenciando que quantidades mínimas, indetectáveis por DRX, de Al2O3 e WO3 podem estar presentes nas composições x menor ou igual 0,5, quando a síntese é realizada pelo método de reação no estado sólido. Os gráficos de Kubelka-Munk do sistema Al2- xGaxW3O12 indicaram que a substituição parcial de parcial de Ga3+ por Al3+ aumenta o intervalo de banda em x menor ou igual 0,4, no entanto, foi observada uma saliência de absorção dentro da região do visível presente em todas as amostras, interpretada como uma conseqüência da presença de WO3 monoclínica, observada na espectroscopia Raman. A síntese da fase Ga2W3O12, não foi bem sucedida, embora a entalpia de formação deste composto, calculada por meio da equação generalizada de Kapustinskii e pelo ciclo de Born-Haber, seja fortemente exotérmica, ΔHF= −10149,15 Kj. mol -1. / [en] The aim of this work was to study the Al2-xGaxW3O12 system (x = 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 2) in order to investigate the relationship between the partial replacement of Al3+ (r = 67 Angstrom) by Ga3+ (r = 0.76 Angstrom) and the coefficient of thermal expansion on the Al2W3O12 phase. It was determined as limit of solubility of Ga3+ in Al2-xGaxW3O12 the sample 𝑥 = 0.5, once it was identified in the diffraction patter WO3 as a secondary phase in 𝑥 bigger or equal 0.6. Unlike Al2W3O12 which is orthorhombic (Pbcn) at room temperature, the phases 0.2 less or equal 𝑥 less or equal 0.5 in the Al2- xGaxW3O12 appeared, at room temperature, in the monoclinic system (P21/a). The transition to orthorhombic phase (Pbcn), determined by XRPD in situ and dilatometry, was observed below 100 C for all compositions. The phase transition temperature increases as the Ga3+ content was increased in the crystalline structure. The thermogravimetric analysis of the monophasic samples showed that they were not hygroscopic. Although the monophasic composition with the highest Ga3+ content was Al1.5Ga0.5W3O12, the phase Al1.6Ga0.4W3O12 presented the lowest linear coefficient of thermal expansion, alpha l = 1.14 K -1, a reduction of 25 percent comparing with the linear coefficient of thermal expansion of the phase Al2W3O12. The Rietveld fit to the orthorhombic Pbcn space group, of the Al1.6Ga0.4W3O12 diffraction pattern taken at 100 C, confirms that Ga3+ was replaced by Al3+ in the same proportion described in the nominal chemical formula, and showed that its polyhedral distortion , Al(Ga)O6 and WO4, is in a higher amount than generally noticed for other phases in this crystal family. The Raman spectroscopy corroborated the analyzes regarding the solubility limit, although it showed that the compositions 𝑥 less or equal 0,5 could have a minimum quantities, undetectable by XRPD, of Al2O3 and WO3, when synthesized by the solid state reaction method. Kubelka-Munk graphics of Al2-xGaxW3O12 suggest that the partial replacement of Al3+ by Ga3+ increases the band gap in x less or equal 0,4, however, the absorption of Al2-xGaxW3O12 in the visible region increase, this behavior is apparently caused by the presence of WO3, as deduced by Raman spectroscopy. Attempts to synthesize Ga2W3O12 was not successful, although the enthalpy of formation of this compound, calculated by Generalized Kapustinskii equation and the Born-Haber cycle, presented a high exothermic value, ΔHF = −10149,15 Kj. mol -1.

[pt] O objetivo deste estudo foi desenvolver compósitos à base de uma liga de AlSi (Alumix-231) com adição de 5 a 20 vol. por cento de sílica fundida, no intuito de reduzir o coeficiente de expansão térmica (CET), com relação ao da matriz, e manter as propriedades físicas do compósito, tais como densidade e dureza, ao menos no nível da matriz. Os compósitos foram desenvolvidos pela metalurgia do pó, primeiramente, prensados a 700 MPa e depois sinterizados em temperaturas entre 565 e 575 graus C por 90 min (condição T1). Os melhores resultados, em termos de redução da expansão térmica, foram alcançados após a sinterização a 565 graus C. Os compósitos com adição de 15 e 20 vol.por cento de sílica fundida exibiram coeficientes de expansão térmica tão baixos quanto 13,70 e 12,73 x 10(-6) graus C(-1) (entre 25 e 400 graus C), uma redução de 29,9 por cento e 34,8 por cento, respectivamente, em comparação com Alumix231 pura. Além disso, a densidade e a dureza desses compósitos não foram muito afetadas negativamente, pois sofreram apenas uma pequena diminuição, não superior a 6 por cento e 5 por cento, respectivamente. Em seguida, amostras sinterizadas a 565 graus C foram envelhecidas artificialmente a 160 graus C por 8 h (condição T6) e os Compósitos de Matriz Metálica (CMMs) com 15 e 20 vol. por cento de sílica fundida exibiram um aumento da dureza, cerca de 94,12 por cento e 64,71 por cento, respectivamente, em relação às amostras análogas na condição T1. Com relação à expansão térmica, houve redução dos CETs, em comparação com a liga pura envelhecida, de 27 por cento e de 32 por cento, respectivamente. Alumix-231 é uma nova e promissora liga e a sílica fundida, que nunca foi usada antes com o objetivo de reduzir sua expansão térmica, demonstrou ser uma cerâmica com aplicações promissoras como carga em compósitos de matrizes à base de Alumix-231 devido à sua expansão térmica próxima de zero e à sua baixa densidade. Como tal, os resultados obtidos mostraram que os compósitos de Alumix-231/sílica fundida são materiais potencialmente promissores para aplicações automotivas, candidatos a substituírem o ferro fundido (alta densidade, de 7,3 a 7,9 g cm(-3) , e CET de 13 x 10(-6) graus C(-1)). / [en] The goal of this study was to develop composites based on an Al-Si alloy (Alumix-231) with the addition of 5 to 20 vol. percent of fused silica, to reduce the coefficient of thermal expansion (CTE) in comparison to that of the matrix (Alumix-231), keeping the composite light and without impairing its physical properties, such as density and hardness. The composites were developed by powder metallurgy, first pressed at 700 MPa, and then sintered at temperatures between 565 and 575 degrees C for 90 min (T1 condition). The best results, in terms of reduced thermal expansion, were achieved after liquiq-phase sintering at 565 degrees C. Composites with the addition of 15 and 20 vol. percent of fused silica exhibited CTEs, as low as, 13.70 and 12.73 x 10(-6) degrees C(-1) (between 25 and 400 degrees C), a reduction of 29.9 percent and 34.8 percent, respectively, compared to neat Alumix-231. Furthermore, the density and hardness of these composites were not negatively affected, as these properties presented only a small decrease, not exceeding 6 percent and 5 percent, respectively. Then, samples sintered at 565 degrees C were artificially aged at 160 degrees C for 8 h (T6 condition), and MMCs-15 and 20 vol. percent exhibited an increase in hardness of about 94,12, percent and 64,71 percent, compared to T1 samples. Regarding thermal expansion, there was a reduction of CTEs, compared to the aged neat alloy, of 27 percent and 32 percent, respectively. Alumix-231 is a promising new alloy and fused silica, which has never been used before to reduce its thermal expansion, has shown to be a ceramic with promising applications as a filler in Alumix-231-based matrix composites, due to its thermal expansion close to zero. As such, the results obtained showed that Alumix231/fused silica composites are promising materials for automotive applications and new candidates to replace heavy cast iron components.

[pt] Este trabalho tem como objetivo estudar a expansão térmica extrínseca e intrínseca do Al2-xInxW3O12, suas transições de fase e higroscopicidade para as fases: x = 0,2; 0,4; 0,7 e 1. Os pós foram obtidos pelo método de co-precipitação. Esta técnica permite a produção de materiais cerâmicos avançados por meio de reações químicas suaves em temperaturas relativamente baixas usando em solução aquosa. A família Al2-xInxW3O12 faz parte do que se pode classificar como cerâmicas termomióticas (do grego thermo para calor e mio para contração) e pertence à família A2M3O12 (A = cátion trivalente, M = cátion hexavalente), com expansão térmica negativa ou quase zero. Este fato torna esta cerâmica uma candidata potencial em aplicações que requerem materiais com alta resistência ao choque térmico. Na literatura, encontramos poucos estudos sistemáticos que relatam parâmetros de interesse no sistema Al2-xInxW3O12, como os coeficientes de expansão térmica (CET) e suas transições de fase. Portanto, o presente trabalho tem como objetivo determinar os coeficientes de expansão intrínsecos (determinados por difração de raios X que é relativa às variações nos parâmetros de rede do material) e o coeficiente de expansão extrínseco (obtido por dilatometria que leva em consideração a variação intrínseca e também extrínseca, dimensões do material, estas últimas relacionadas a defeitos microestruturais) do sistema Al2-xInxW3O12, temperaturas de transição de fase (monoclínica e ortorrômbica) na faixa de x = 0,2 a x = 1. Além disso, este estudo pretende relatar a higroscopicidade deste sistema (usando termogravimetria). Os resultados mostraram que o Al2-xInxW3O12 adotou uma estrutura ortorrômbica em temperatura ambiente para as composições x = 0,2; 0,4; 0,7 e uma estrutura monoclínica para a composição x = 1. Na fase x = 1, uma transição de fase monoclínica para ortorrômbica ocorreu perto de 200 oC. Finalmente, o sistema Al2-xInxW3O12 apresentou baixa higroscopicidade nas quatro fases estudadas. / [en] The Al2-xInxW3O12 family is part of thermomiotic ceramics (from the Greek thermo for heat and mio for contraction) and belongs to the A2M3O12 family (A = trivalent cation, M = hexavalent cation), wich can show negative or near zero thermal expansion. This fact makes this ceramic a potential candidate in applications that require materials with high resistance to thermal shock. In the literature, we found few systematic studies that report parameters of interest in Al2-xInxW3O12 system such as the coefficients of thermal expansion (CTE) and its phase transitions. Therefore, the present work aims to determine the intrinsic coefficients of expansion (determined by X-ray diffraction that is relative to variations in the material s lattice parameters) and the extrinsic coefficient of expansion (obtained by dilatometry which takes into account intrinsic and also extrinsic variations in dimension, these later related to microstructural defects) of Al2-xInxW3O12, phase transition temperatures (monoclinic to orthorhombic) in the range between x = 0.2 to x = 1. In addition, this study intends to report hygroscopicity of this system (using thermogravimetry). The results showed that Al2-xInxW3O12 adopted an orthorhombic structure at room temperature (RT) for x = 0.2; 0.4; 0.7 compositions and monoclinic structure for x = 1 composition. In x = 1 phase, a monoclinic to orthorhombic phase transition occurred close to 200 oC. Finally, the Al2-xInxW3O12 system presented low hygroscopicity in all four studied phases.