Os estudos tribológicos buscam por soluções que melhorem o desempenho de produtos e processos. Atualmente a pesquisa por novos materiais que apresentem baixo atrito, baixo desgaste e baixo consumo de energia. Assim, de acordo com essa necessidade, esta tese apresenta uma metodologia para estudo de materiais carbonosos diferentes para aplicações industriais e tecnológicas. Dessa forma, diferentes materiais de carbono com propriedades promissoras para aplicações como lubrificantes sólidos e proteção contra desgaste foram estudados com o objetivo de conhecer melhor suas tribopropriedades. Para isso, foi estudada a relação entre a estrutura do material e seu comportamento tribológico. Os estudos tribológicos também foram utilizados para analisar a uniformidade e a as propriedades tribológicas de filmes de DLC crescidos dentro de tubos de aço para melhorar as propriedades do tubo para aplicação na extração e petróleo. Mapas do comportamento tribológico dos filmes de DLC foram utilizados para analisar o coeficiente de atrito, a taxa de desgaste e o volume perdido como função da força normal aplicada e da velocidade de deslizamento. Os resultados mostraram o potencial do filme de DLC para aplicação terrestre e espacial.

Filmes finos de carbono tipo diamante, (DLC - diamond-like carbon) possuem interessantes propriedades, tais como alta dureza, estabilidade química e baixo coeficiente de atrito que os qualificam para uso em diversas áreas do setor produtivo, incluindo as indústrias automobilística, química, petroquímica e espacial. No caso da indústria espacial, o principal atrativo são suas propriedades tribológicas, pois o DLC possui características de lubrificante sólido, o que o torna interessante para uso em peças articuláveis de satélites. A limitação do uso do DLC nestas peças se deve a sua degradação, que ocorre devido a reações químicas do filme com o oxigênio atômico, presente no ambiente no qual orbitam os satélites. Para minimizar este problema, neste trabalho, nanopartículas de prata foram incorporadas aos filmes. As deposições foram realizadas por PVD (Physical Vapor Deposition) - através de um sistema de pulverização catódica, mais conhecido como magnetron sputtering. Os filmes de DLC com e sem nanopartículas de prata foram produzidos em duas condições de atmosfera da descarga, objetivando o estudo do comportamento dos filmes com diferentes hidrogenações. Os filmes produzidos foram caracterizados quanto à composição química, propriedades estruturais, morfológicas e tribológicas, através das técnicas de EDX, RBS/ERDA, XPS, espectroscopia Raman, AFM e com um tribômetro. Com o objetivo de se simular a situação de bombardeio por oxigênio, amostras foram submetidas ao processo de corrosão por plasma de oxigênio. Os resultados mostraram a eficiência da incorporação da prata ao DLC, de modo que os filmes com prata apresentaram uma taxa de corrosão 75% menor que em relação ao DLC sem prata.

O estudo de filmes de carbono-tipo diamante (DLC) é atualmente de grande interesse da comunidade científica e tecnológica devido às suas propriedades, como baixo coeficiente de atrito, elevada dureza, inércia química, alta aderência a superfícies metálicas com diferentes formas e obtenção em grandes escalas. As suas propriedades podem ser significativamente aumentadas pela presença de nanopartículas em sua estrutura, com substanciais mudanças em suas propriedades tribológicas e mecânicas. O foco da investigação deste trabalho está centrado na obtenção de filmes de DLC com cristais de diamante incorporados em sua estrutura, a partir de altas taxas de deposição, utilizando um sistema 3D barato e escalonável, o que ainda não tinha sido possível de se obter. As vantagens desse novo filme estão em combinar as propriedades de dureza, baixa rugosidade, coeficiente de atrito e biocompatibilidade, tanto do diamante-CVD cristalino como do DLC, adicionando as possibilidades de obtenção desse novo material híbrido em grandes áreas e altamente aderente aos substratos metálicos. Os resultados mostram: (1) a deposição de filmes de DLC a partir de diferentes líquidos hidrocarbonetos, obtendo assim altas taxas de crescimento; (2) esses líquidos hidrocarbonetos permitem a incorporação de nanopartículas diversas nos filmes pela dispersão de partículas no líquido; (3) filmes de DLC contendo nanopartículas de dióxido de titânio foram produzidos e sua ação bactericida comprovada; (4) filmes de DLC contendo nanopartículas de diamante cristalino foram produzidos pela primeira vez, por um processo totalmente inédito; (5) a homogeneidade dos filmes de DLC contendo nanopartículas de diamante foi avaliada sob diferentes formas de operação (carga e velocidade); (6) uma nova aplicação para os filmes de DLC contendo partículas de diamante foi descoberta: a proteção contra corrosão; (7) esses filmes também mostram-se eficientes contra a tribocorrosão. Dessa forma, espera-se ampliar o potencial de aplicação para a utilização em áreas sujeitas ao atrito em ambiente corrosivo.

A deposição de filmes finos de DLC com propriedades mecânicas e tribológicas avançadas tem sido um apelo muito forte devido as evidentes aplicações espaciais e industriais onde existem situações de extrema agressividade mecânica e química. Neste trabalho de Doutorado, além das soluções para a área espacial, encontraram-se também, soluções para os segmentos industriais. Em primeiro lugar, tratou-se de estudar as três técnicas de deposição de filmes de DLC que mais se destacaram na literatura e também a partir da experiência da equipe. Assim, as técnicas r.f. PECVD, IBAD e DC Pulsado PECVD foram exaustivamente estudadas e implantadas em nosso laboratório. Estudou-se o crescimento dos filmes de DLC a partir destas técnicas, assim como as propriedades destes filmes como função dos parâmetros de obtenção nas melhores condições de operação destas técnicas sobre substratos metálicos como a liga Ti6Al4V (área espacial) e alguns aços (áreas industriais). Propriedades mecânicas e tribológicas, como dureza, aderência, casamento de coeficiente de dilatação térmica entre o filme e o substrato, coeficiente de atrito, desgaste, carga crítica, etc. foram estudadas para cada uma das técnicas. A técnica de melhor desempenho foi escolhida para os estudos de escalonamento industrial, que culminou no desenvolvimento de um sistema, pela primeira vez, que permitiu crescer filmes de DLC em grandes áreas. Aproveitando, ainda, as propriedades dos filmes obtidos com a técnica DC Pulsado PECVD, fez-se um estudo em um dos maiores apelos tecnológicos que é o de obter filmes de DLC no interior de tubos longos e de forma uniforme em toda sua extensão. As caracterizações espectroscópicas, mecânicas e tribológicas mostraram o sucesso deste estudo.

Os filmes de carbono tipo diamante (DLC) são materiais que possuem excelentes propriedades tais como: alta dureza, alta resistência ao desgaste, baixo coeficiente de atrito, biocompatibilidade, inércia química, baixa rugosidade, transparência óptica, alta resistividade elétrica entre outras, o que fazem com que o DLC tenha uma variedade de aplicações. Entretanto, sabe-se que o DLC possui fraca adesão sobre substratos metálicos resultando em delaminações. Com o objetivo investigar esse problema, foi realizado neste trabalho o estudo da sua deposição em lâminas de silício, aço inoxidável, liga de alumínio e liga de titânio, segundo duas técnicas baseadas em implantação iônica por imersão em plasma (IIIP ou 3IP). A primeira consistiu em 3IP e deposição com magnetron sputtering (3IP&D). Para este caso, duas condições foram estudadas, sendo a primeira: implantação em 30 minutos e deposição em 60 minutos e a segunda condição foi alternando 20 minutos de implantação e 20 de deposição, totalizando 80 minutos. As outras condições estudadas foram implantando com metano por 60 minutos, acetileno também com 60 minutos e metano com 30 minutos mais 60 minutos com acetileno. Após a deposição, os filmes foram caracterizados pelas técnicas de perfilometria, espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e de força atômica (AFM), corrosão, estudo da aderência, medidas de coeficiente de atrito e nanodureza. Com os resultados obtidos podemos dizer que o filme que apresentou melhores resultados foram os obtidos com implantação de metano por 30 minutos mais implantação com acetileno por mais 60 minutos.

Neste trabalho foram depositados e caracterizados filmes finos de DLC dopados com Ag no revestimento de telas de polipropileno de uso cirúrgico. Essas telas revestidas foram submetidas a teste microbiológico, com o intuito de avaliar a eficiência da dopagem com prata em inibir o crescimento bacteriano. Os filmes foram depositados por processo a plasma tipo pulverização catódica com dois magnetrons (dual- magnetron sputtering) sobre telas de polipropileno de uso cirúrgico (Marlex). Os filmes depositados foram caracterizados através das técnicas de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (MFA) com o intuito de observar a estrutura superficial do filme. A composição do filme foi obtida através da técnica de espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS), onde foi possível obter a porcentagem relativa dos elementos químicos presentes nos filmes. Os testes microbiológicos, in vitro, dos filmes depositados sobre a tela de polipropileno foram realizados com base no teste de disco difusão, onde amostras de telas revestidas com filmes foram colocadas sobre meio de cultura semeado com diferentes bactérias Escherichia coli e Staphylococcus aureus, em diferentes concentrações 106 e 108 UFC/ml. Foi possível obter filmes finos de DLC dopados com Ag com porcentagem que variam de 1,0 - 18,4 %. Observou-se que o tamanho das partículas que compõe o filme influenciam na formação do halo de inibição bacteriana e que a bactéria S. aureus demonstrou ser mais resistente a atuação dos filmes finos de DLC dopado com Ag e dos filmes de Ag, do que a bactéria E. coli.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Lately, we have witnessed a growing concern about determining energy consumption and pollutant emissions. Large part of the energy spent is directly related to the friction and wear. Likewise, there a growing demand for production of mechanical systems of high efficiency. To develop systems that are more economical, noiseless and not harmful to the environment, there is a limit imposed by materials and conventional surface treatment. Thus, critical tribological contacts and possible new materials have been intensively investigated. Solid lubrication and solid lubricants are emerging as a promising alternative to control friction and wear in mechanical systems modern. The use of multifunctional coatings have been studied and used in modern mechanical systems, so that the final properties depend on the system composed of substrate - coating - environment. This study aims to optimize the thickness of multifunctional coatings with potential for use in mechanical systems of high efficiency, particularly on soft substrates. The aim is an optimization using the principles of contact mechanics, together with strength criteria to analyse stress and strain. Efficient techniques to characterize the coatings, and powerful simulation tools in the stress analysis of multifunctional coatings were used. The results showed that the thickness of the coating plays an important role on coating properties. / Ultimamente, tem-se presenciado uma preocupação cada vez mais determinante quanto ao consumo energético e emissões de poluentes. Grande parte da energia gasta está relacionada diretamente com o atrito e o desgaste. Há igualmente uma demanda crescente por produção de sistemas mecânicos de alta eficiência, mas, também, para desenvolver sistemas cada vez mais econômicos, silenciosos e não prejudiciais ao meio ambiente, havendo um limite imposto por materiais e tratamento de superfícies convencionais. Assim, a tribologia de contatos críticos e possíveis novos materiais estão sendo amplamente pesquisados. A lubrificação sólida e lubrificantes sólidos estão aparecendo como uma alternativa promissora para controlar o atrito e o desgaste nos sistemas mecânicos modernos. A utilização de revestimentos multifuncionais tem sido estudada e aplicada nos sistemas mecânicos modernos, de modo que as propriedades finais resultantes sejam dependentes do sistema substrato-revestimento-ambiente. O presente trabalho busca a otimização de tribo revestimentos multifuncionais com potencial para a aplicação em sistemas mecânicos de alta eficiência, particularmente sobre substratos macios. Busca-se essa otimização por meio da análise de tensões e deformações, as quais são compreendidas através do princípio da mecânica do contato, juntamente com os critérios de resistência. Usam-se técnicas de caracterização de revestimentos amplamente usadas e eficientes, como também ferramentas de simulação poderosas na análise de tensões de revestimentos multifuncionais. Os resultados demonstram que a espessura do revestimento tem um papel importante na origem das propriedades do revestimento. / Doutor em Engenharia Mecânica