Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-05-31T14:12:17Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345567.pdf: 8768611 bytes, checksum: 8091bbf8621db6062d55cdf9eea64ac2 (MD5) Previous issue date: 2016 / Compósitos do sistema LZS+Al2O3 foram obtidos por meio de duas rotas de processamento. Na Rota A, o sistema LZS (19,58Li2O.11,10ZrO2. 69,32SiO2) foi obtido a partir da fusão das matérias-primas (carbonato de lítio, quartzo e silicato de zircônio). As fritas obtidas foram moídas e misturadas com nanopartículas de Al2O3 (13 nm; 1-5 %). Na Rota B, os sistemas LZS e LZS+Al2O3 foram obtidos por meio do processamento coloidal de óxidos nanoestruturados de precursores (SiO2, ZrO2, Al2O3 e um precursor de lítio obtido da reação de Li2CO3 e ácido acético). As suspensões obtidas foram congeladas em nitrogênio líquido e liofilizadas. As nanoestruturas obtidas apresentaram ~25 nm de diâmetro. Os pós resultantes das duas rotas foram conformados por prensagem uniaxial e colagem de fitas. Posteriormente foram sinterizados e suas propriedades foram avaliadas. A incorporação de nanopartículas de Al2O3 em matriz LZS reduziu significativamente o coeficiente de expansão térmica (CET). Os compósitos obtidos por meio da Rota A sinterizados a 900 ºC obtiveram densidades relativas de 92 a 98%, apresentaram silicato de zircônio e espodumênio-ß como principais fases cristalinas, dureza entre 4,6 e 6 GPa, módulo de elasticidade entre 78 e 111 GPa. Por outro lado, os compósitos nanoestruturados, produzidos pela Rota B apresentaram as fases cristalinas Li2ZrSi6O15, dissilicato de lítio, e silicato de zircônio. A baixa sinterabilidade dos compósitos, demonstrou a necessidade do uso de técnicas não convencionais de sinterização, como o Spark Plasma Sintering (SPS). Os curtos tempos de processo de SPS (1 min), não permitem que a zircônia reaja para formar silicato de zircônio, já que a evolução das fases depende da reação da alumina para formar outras fases cristalinas. O CET obtido pelos compósitos sinterizados por SPS não resultou tão baixo quanto aos sinterizados de forma convencional, no entanto, tiveram as maiores densidades e melhores propriedades mecânicas, ou seja, dureza entre 5 e 9 GPa e módulo de elasticidade entre 78 e 105 GPa. Após processamento coloidal dos pós obtidos pelas duas rotas de processamento, foram produzidas fitas flexíveis, homogêneas, livre de trincas e de fácil descolagem do substrato. Arquiteturas complexas foram obtidas, como laminados 4 camadas com concentrações graduais de nanopartículas de Al2O3, o vitrocerâmico LZS foi laminado em bicamadas com o aço inoxidável AISI 316L e o compósito nanoestruturado 5AnB com wafer de silício e foram obtidas bicamadas livres de trincas e delaminações.<br> / Abstract : LZS/Al2O3 composites were obtained by two processing routes. In Route A, the LZS system (19.58Li2O·11.10ZrO2·69.32SiO2) was obtained by melt of raw materials (lithium carbonate, quartz and zirconium silicate). The frits were milled and mixed with Al2O3 nanoparticles (13 nm; 1-5vol.%). In Route B, the LZS and LZS + Al2O3 systems were obtained by colloidal processing of the oxide precursors nanoparticle (SiO2, ZrO2, Al2O3, and a lithium precursor obtained by reaction of Li2CO3 and acetic acid). The suspensions were frozen in liquid nitrogen and lyophilized. The nanostructure obtained showed ~ 25 nm in diameter. The resulting powders of the two routes were conformed by uniaxial pressing and tape casting. Subsequently, they were sintered and their properties were evaluated. The Al2O3 addition resulted in reduced the coefficient of thermal expansion (CTE). The composites obtained through Route A sintered at 900 ºC obtained relative densities of 92 to 98%, presented zirconium silicate and ß-spodumene as the main crystalline phases, hardness between 4.6 and 6 GPa, modulus of elasticity between 78 and 111 GPa. On the other hand, the nanostructured composites produced by Route B presented the crystalline phases Li2ZrSi6O15, lithium disilicate, and zirconium silicate. The low sinterability of the composites demonstrated the need for the use of non conventional sintering techniques, such as Spark Plasma Sintering (SPS). The short SPS process times (1 min) do not allow the zirconia to react to form zirconium silicate, since the evolution of the phases depends on the reaction of the alumina to form other crystalline phases. The CTE obtained by the composites sintered by SPS was not as low as conventional sintered, however, they had the highest densities and better mechanical properties, that is, hardness between 5 and 9 GPa and modulus of elasticity between 78 and 105 GPa. After colloidal processing of the powders obtained by the two processing routes, flexible, homogeneous strips were produced, free of cracks and easy take-off of the substrate. Complex architectures were obtained as 4 layer laminates with graded concentrations of Al2O3 nanoparticles, the LZS glass ceramic was laminated in bilayers with AISI 316L stainless steel and 5AnB nanostructured composite with silicon wafer and freezings were obtained from cracks and delaminations.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-05-31T14:14:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 345556.pdf: 2835210 bytes, checksum: 6d016e8d8d73ae27ff11f49ea1b35634 (MD5) Previous issue date: 2016 / Sendo o resultado da combinação de dois ou mais materiais, os materiais compósitos possuem características únicas e são usados em sistemas de engenharia que necessitam alto desempenho e propriedades altamente específicas, como, por exemplo em aeronaves e equipamentos esportivos. Materiais compósitos podem ser produzidos pela "tecnologia do pó", na qual basicamente o pó metálico e/ou cerâmico é compactado e, por fim, sinterizado. A sinterização é um processo de densificação, onde ocorre a consolidação do material e é a etapa responsável por conferir força e resistência à peça. Assim, nota-se que o controle dessa etapa é determinante para se atingir as propriedades desejadas à peça final. Em paralelo, simulações numéricas do processo de sinterização são uma alternativa em relação a custosos e longos experimentos físicos. Uma metodologia de simulação numérica muito promissora é chamada de Método dos Elementos Discretos (DEM ? Discrete Element Method). Diferentemente dos métodos contínuos de simulação, o DEM considera cada partícula do sistema como um elemento distinto e é ideal para a simulação de meios granulares, como é o caso da sinterização. Assim, esse projeto tem por objetivo simular e analisar o processo de sinterização em estado sólido de materiais compósitos utilizando o Método dos Elementos Discretos. O software utilizado foi o MUSEN, desenvolvido na Universidade Tecnológica de Hamburgo (TUHH - Alemanha). Os materiais do compósito utilizado nas simulação são níquel (metal) e alumina (cerâmico). Especificamente, esse trabalho visa investigar a influência de diferentes proporções de metal/cerâmico em amostras monomodais (apenas um tamanho de partícula) durante a sinterização. Além disso, a influência de partículas maiores de metal em amostras bimodais também foi analisada. Entre as análises conduzidas, foi avaliado o crescimento do raio de contato das partículas entre os diferentes tipos de contatos: metal-metal, cerâmico-cerâmico e metal-cerâmico. O número de coordenação das partículas com esses 3 tipos de contato também foi investigado. Finalmente, a influência de diferentes parâmetros no comportamento de densificação foi analisada e correlacionada com o crescimento de raio de contato e número de coordenação entre as partículas. A partir dos resultados, foi possível confirmar que a modelagem modificada foi capaz de simular a sinterização de compósitos, mesmo para estruturas interpenetrantes. Os resultados das amostras monomodais foram divididos em três diferentes comportamentos de sinterização: controladas pelo metal, controladas pelo cerâmico e estruturas interpenetrantes. As amostras controladas pelo metal apresentaram as maiores taxas de densificação e atingiram as maiores densidades relativas ao final da simulação. As partículas de metal (neste caso níquel) possuem um potencial maior para sinterizar mais rápido que a alumina devido ao seus parâmetros cinéticos e energia superficial. Também foi observado que a adição de uma segunda fase com uma menor atividade de sinterização (alumina) reduz a densificação global em comparação com o puro metal e leva mais tempo para atingir a mesma densidade relativa. As estruturas interpenetrantes apresentaram as menores densificações globais dentre todas amostras devido à densificação independente da fase metálica e cerâmica. Esse comportamento conduziu à formação de muitas fissuras e rachaduras ao longo da amostra e a estrutura inicial foi perdida, formando na verdade uma estrutura porosa. Os resultados das amostras bimodais mostraram um crescimento mais lento do raio de contato para partículas maiores de níquel, como é esperado. Entretanto, a densificação global foi maior para amostras com maiores partículas de níquel. Esse comportamento não era esperado, porém pode ser explicado pela configuração das partículas em estruturas interpenetrantes. Nessas estruturas, não existe uma fase ?matriz?, a fase metálica e cerâmica formam redes contínuas de partículas, chamados de caminhos de percolação. Quando partículas menores estão presentes nessas estruturas, elas apresentam maior força de sinterização, rapidamente se atraem, formam longos aglomerados de partículas e a densificação global praticamente não ocorre. Por outro lado, partículas maiores induzem menores forças de sinterização. Assim, as forças viscosas entre contatos alumina-níquel são suficientes para manter esses contatos unidos e, consequentemente, a densificação global pode ser observada.<br> / Abstract : Composite is a class of material made by the combination of two or more materials, which produces a third one with unique characteristics. For this reason, composites have a wide range of engineering applications, such as spacecrafts and sports? equipment. Composite materials can be suitably produced by Powder Metallurgy. In this manufacturing process, the blend of different powders is shaped and later sintered at high temperatures for consolidation of the part. Thereby, sintering is considered a densification process, which is responsible for providing strength and stiffness to the material or composite. Moreover, its control is essential to reach the desired properties of the final part. In addition, numerical simulations of the sintering process represent an alternative procedure in relation to the lengthy and costly physical experiments. A well-known simulation technique is the Discrete Element Method (DEM). In contrast to continuum methods, DEM considers every particle of the system as a single element and it is recommended to simulate granular media, such as sintering. Thus, the general purpose of this project is to simulate and analyze the solid-state sintering process of composite materials when both materials are sintering using DEM. The software used is the MUSEN system, developed at TUHH ? Germany. The materials chosen for the composite are nickel (metal) and alumina (ceramic). Specifically, the present work aims to investigate the influence of varying contents of metal/ceramic in monosized samples during sintering. These contents range from metal volume fraction of 0.9 to 0.1, and include pure metal and ceramic bodies. Furthermore, the effect of larger metallic particles in the sample is also investigated for a constant metal volume fraction of 0.6. Among the analyses carried out, the contact size growth was evaluated considering the interfaces metal-metal, ceramic-ceramic and metal-ceramic. The coordination number of the particles within these three contacts is also analyzed. Finally, the influence of the varied parameters on the densification behavior is investigated and correlated with the contact size growth and coordination number evolution. The results have shown that the special modeling was capable to simulate sintering of composites even in case of interpenetrating structures. The simulation results of the monosized packing can be divided in three different sintering behaviors: metal-controlled, ceramic-controlled and interpenetrating structures. The metal-controlled samples have shown the highest densification rates and relative density evolution, as one might expect. The nickel particles have higher potential to sinter faster than alumina due to their kinetic parameters and surface energy. Hence, metal particles induce high forces to shrink the system and indirectly transfer forces to the sintering of ceramic phase. Interpenetrating structures have shown the lowest overall densification due to independent densification of metal and ceramic phase. It has led to large cracks through the samples and the initial structure has been lost. The results of bimodal packings have shown a slower growing of the contact radius for larger nickel particles, as expected. However, the global densification has been higher for samples with larger nickel particles. This unexpected behavior can be explained due to the particle configuration and distribution of forces in the interpenetrating structures. Smaller particles induce higher forces, quickly agglomerate themselves and are not capable to drive a global densification. On the other hand, larger particles induce weaker sintering forces. Thereby, the resistance force between nickel-alumina contacts is high enough to keep these contacts attached and, consequently, a global densification can be observed.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2017. / Made available in DSpace on 2017-10-31T03:18:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 348411.pdf: 4802564 bytes, checksum: 9cc094244049a235efb2cb367ac0e889 (MD5) Previous issue date: 2017 / Laminados cerâmicos começaram a ser produzidos de forma que interfaces, camadas ou tensões residuais térmicas fossem utilizadas com intuito de se oporem ao início do crescimento de trinca e/ou poderem desenvolver uma resistência limite que deveria ser ultrapassada para que houvesse tal crescimento. O presente estudo teve como objetivo produzir compósitos particulados de alumina tenacificada com zircônia (ZTA, zirconia-toughened alumina), nos quais a zircônia empregada é parcialmente estabilizada com ítria (Y-PSZ, yttria-partially stabilized zirconia), dotados ou não de camadas intermediárias de Y-PSZ como fase de reforço. O trabalho foi dividido em duas partes. A primeira parte visou desenvolver ZTAs sinterizados com 5 vol% e 30 vol% de Y-PSZ processados via colagem de fitas (tape casting) e caracterizá-los microestrutural e mecanicamente. A segunda parte do trabalho teve como objetivo produzir compósitos laminados sinterizados com camadas de ZTA (os mesmos da primeira parte) alternadas com camadas de Y-PSZ produzidas por tape casting e centrifugação (spin coating), caracterizando sua microestrutura e comportamento mecânico. Os resultados mostraram que a adição de Y-PSZ em 5 vol% na matriz de alumina refinou os grãos de Al2O3, trazendo um consequente aumento da resistência média à flexão de 284,7 MPa para 340,0 MPa. Entretanto, a tenacidade à fratura não variou. A adição de Y-PSZ em 30 vol% resultou numa microestrutura com tamanho médio de grão de alumina ainda menor, com formação de núcleos de zircônia que permitiram a ela ativar seus mecanismos de tenacificação e, dessa forma, aumentar a resistência média à flexão em ~20% e a tenacidade à fratura de 3,0 MPa·m½ para 4,2 MPa·m½ comparados ao ZTA com 5 vol% de Y-PSZ. As fases de reforço produzidas via tape casting e spin coating aumentaram a resistência média à flexão em ~21% e ~43% respectivamente. Compósitos laminados com camada espessa de ZTA com 30 vol% de Y-PSZ e com camada fina processada por spin coating apresentaram maiores valores resistência mecânica média (361,7 MPa) e confiabilidade (m = 9,8). O comportamento mecânico dos compósitos se mostrou dependente da microestrutura, dos mecanismos de tenacificação e das tensões residuais térmicas impostas durante o resfriamento após a sinterização.<br> / Abstract : Ceramic laminates began to be produced in such a way that interfaces, layers or thermal residual stresses were used in order to oppose the beginning of crack growth and/or to develop a threshold strength that should be exceeded in order to achieve such growth. The aim of the present study was to produce particulate composites of zirconia-toughened alumina (ZTA), in which zirconia was partially stabilized with yttria (Y-PSZ) with or without intermediate Y-PSZ layers as reinforcement phase. The work was divided into two parts. The first part aimed to develop sintered ZTAs with 5 and 30 vol% Y-PSZ processed through tape casting and to characterize them microstructurally and mechanically. The second part of the work had as objective to produce sintered laminated composites with layers of ZTA (the same of the first part) alternated with layers of Y-PSZ produced by tape casting and spin coating, characterizing its microstructure and mechanical behaviour. The results showed that the addition of 5 vol% Y-PSZ in the alumina matrix refined the Al2O3 grains, bringing a consequent increase in mean flexural strength from 284.7 MPa to 340.0 MPa. However, fracture toughness did not change. The addition of Y-PSZ in 30 vol% resulted in a microstructure with an even smaller alumina grain size, with formation of zirconia clusters that enabled it to activate its toughening mechanisms and, thus, increase the mean flexural strength in ~20% and fracture toughness from 3.0 MPa·m½ to 4.2 MPa·m½ compared to ZTA with 5 vol% Y-PSZ. The reinforcement phases produced by tape casting and spin coating increased the mean flexural strength in ~21% and ~43% respectively, compared to ZTA without reinforcement layer. Laminated composites with thick ZTA layer with 30 vol% of Y-PSZ and thin layer processed by spin coating presented the highest value of mean flexural strength (361.7 MPa) and reliability (m = 9,8). The mechanical behaviour of the composites was shown to be dependent on the microstructure, the toughening mechanisms and thermal residual stress imposed during the cooling.

Neste trabalho o comportamento estático e dinâmico (transiente) de cascas laminadas anisótropas, dotadas ou não de enrijecedores excêntricos, é investigado usando o método dos elementos finitos. São empregados elementos tridimensionais degenerados de cascas em conjunção com uma formulação Lagrangeana Total, resultando assim um modelo numérico que permite o tratamento de problemas com grandes deslocamentos e rotações, e pequenas deformações. São considerados os casos de material elástico linear e elasto-plástico com ou sem endurecimento. O modelo elasto-plástico baseia-se nos preceitos da teoria da plasticidade associada e numa extensão do critério de Huber-Mises para materiais anisótropos. Os procedimentos utilizados são feitos, particularmente, apropriados para a análise de cascas constituidas por lâminas de materiais compostos, podendo a estrutura apresentar geometria e esquemas de laminação arbitrários. No caso da análise estática, as equações não lineares de equilíbrio são resolvidas utilizando-se o método de Newton-Raphson ou o método de controle por deslocamentos generalizados. No caso da análise dinâmica, as referidas equações são discretizadas no tempo através do método de Newmark e o sistema de equações algébricas resultante é resolvido usando o método de Newton-Raphson. / In this work the static and dynamic (transient) behavior o anisotropic laminated shells, with eccentric stiffeners or not, is investigated using the finite element method. The model employs three-dimensional degenerated elements of shells and is based on a Total Lagrangian formulation that allows the treatment of large displacements and rotations with small strains. The material is considered linear elastic or elastoplastic with strain hardening or not. The elastoplastic analysis is based on the concepts of the associated plasticity theory and uses an extension of the Huber-Mises criterium or anisotropic materials. The procedures are particularly appropriate for the analysis o laminated shells o composite materiais with arbitrary geometry and lamination schemes. For the static analysis the nonlinear equi1ibrium equations are solved by Newton-Raphson method or, alternatively, by the called generalized displacement control method. In the case o dynamic analysis, those equations are discretized in t-he time by Newmark method and the resultant set o algebraic equations are solved by Newton - Raphson method.

Este trabalho focaliza a análise viscoelástica de estruturas laminadas em material compósito de matriz polimérica, propondo o emprego de métodos de inversão numérica da transformada de Laplace numa formulação adaptada ao método dos elementos finitos. Nesta abordagem alternativa, as equações constitutivas viscoelásticas, formuladas no plano complexo da variável de transformação 's', reduzem o problema a uma análise elástica equivalente. As soluções complexas são então retomadas ao plano fisico para o valor de tempo desejado, dispensando processos incrementais. Exemplos de aplicações são executados comparando-se os resultados do Método da Transformada de Laplace com o Método das Variáveis de Estado que trata o problema viscoelástico de forma incremental. / The viscoelastic analysis of laminated structures of polymeric matrix compsite materiais using Laplace transform is the objective of this work. The inverse of the Laplace transform is carried out using numerical methods adapted to a finite element method formulation. In this altemative aproach, as the constitutive equations are formulated on the complex plane in the transformation variable 's', the viscoelastic problem reduces to an equivalent elastic one. The complex solutions are then sent back to the physical plane for the desired time value, dispensing incremental processes. Examples of aplications compamng results obtained with the Laplace Transformation Method and the State Variables Method (that treats the viscoelastic problem in an incremental form) are presented.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:35:47Z (GMT). No. of bitstreams: 1 321269.pdf: 4371248 bytes, checksum: e998c52629981849b99bcd743066dcb9 (MD5) Previous issue date: 2013 / O conhecimento acerca das propriedades dos materiais figura como aspecto essencial no contexto da mecânica de sólidos computacional aplicada ao desenvolvimento de produtos. Com o intuito de promover a utilização de materiais compostos injetados em componentes estruturais, torna-se relevante a investigação de técnicas adequadas para a caracterização do material, considerando a variação de propriedades mecânicas em relação à orientação das fibras e ao tempo de carregamento mecânico. Deste modo, foi descrita uma metodologia para a obtenção de corpos de prova, assim como a condução dos ensaios mecânicos e o tratamento dos dados. A representação matemática das propriedades do material foi feita por meio de um modelo constitutivo de viscoelasticidade linear descrito por séries de Prony, convenientemente adaptado para materiais ortotrópicos. Devido ao elevado número de coeficientes do modelo constitutivo proposto, foi aplicada a técnica de identificação de parâmetros para a determinação das incógnitas da função matemática que representa o modelo constitutivo. A metodologia utilizada permitiu a obtenção de uma boa correlação entre dados experimentais, analíticos e numéricos do ensaio de fluência. Tais resultados favorecem o emprego da simulação numérica para o desenvolvimento de componentes estruturais ao utilizar o modelo constitutivo proposto de viscoelasticidade linear ortotrópica <br>

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2013-12-05T23:42:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 318449.pdf: 2754019 bytes, checksum: d73daae4512a7cb151813f0d7e905cae (MD5) Previous issue date: 2013 / Interfaces fibra-matriz tem um papel muito importante no desempenho de compósitos de matriz cerâmica. Sendo a interação entre fibra e matriz for muito forte, o compósito se comportará como uma cerâmica monolítica, e sendo muito fraca, o compósito perderá sua integridade estrutural e suas propriedades interlaminares. Zircônia monoclínica (não-estabilizada) tem mostrado ser uma boa alternativa na produção de interfaces fibra-matriz para compósitos cerâmicos à base de alumina devido à sua baixa interação química durante a sinterização e também devido ao fenômeno de microtrincamento causado pela transformação tetragonal-monoclínica durante o resfriamento. Interfaces porosas à base de zircônia monoclínica, as quais apresentam baixa tenacidade devido à sua porosidade e microtrincamento, haviam sido usadas no passado para criar interfaces com baixa interação entre fibras de safira e matrizes de alumina. Neste sistema, as interfaces se mostraram quimicamente estáveis mesmo acima de 1300 °C. Compósitos tenazes à base de alumina haviam sido fabricados com zircônia monoclínica como interface. Entretanto, a porosidade da matriz era ? 13%, o que dificulta a interpretação dos resultados, pois as propriedades mecânicas do compósito não podem ser claramente atribuídas às propriedades da zircônia monoclínica. Neste trabalho, compósitos-modelo com matriz densa e fibras individuais de alumina foram produzidos. A interface fibra-matriz foi produzida através de recobrimento por dip-coating das fibras em suspensões cerâmicas de zircônia monoclínica. Diferentes tamanhos de partícula foram utilizados no processo de dip-coating com o objetivo de variar a porosidade e assim, as propriedades das interfaces. A tensão de cisalhamento interfacial foi determinada através do teste de pushin nas fibras. O fenômeno de deflexão de trincas foi avaliado através de trincas criadas por indentação Vickers e o fenômeno de pullout das fibras através de observações nas superfícies de fratura. Propriedades como tenacidade à fratura, dureza e módulo de elasticidade da matriz e interface foram avaliadas para determinar os parâmetros de deflexão de trincas propostos por He e Hutchinson.<br> / Abstract : Fibre-matrix interface properties play an important role on the performance of ceramic matrix composites. Being the fibre-matrix interaction too strong, the composite will behave such as a monolithic ceramic and being too weak, the composite will lose its structural integrity and its interlaminar properties. Monoclinic (unstabilized) zirconia has shown to be a suitable alternative for the production of fibre-matrix interfaces for alumina ceramic matrix composites due to its low chemical interaction during sintering and due to the microcracking phenomenon caused by the tetragonal-monoclinic transformation during cooling. Porous oxide coatings of monoclinic zirconia, which have low toughness because of their porosity and microcracking, have been used in the past to achieve debonding between sapphire fibres and alumina matrices and were to be chemically stable with sapphire above 1300 °C. Tough alumina matrix composites have been fabricated using monoclinic zirconia as fibres coating. However the matrix porosity was = 13%, which makes it difficult to interpret the results, because the toughness cannot be unambiguously attributed to the properties of the unstabilized zirconia interfaces. In this work, model composites with dense alumina matrix and single alumina fibres were fabricated. The fibre-matrix interface was produced via dip-coating single fibres in monoclinic zirconia suspensions. Different particle sizes were used for the dip-coating in order to vary the coating porosity. The interfacial sliding stress was determined via a modified fibre pushin test. The crack deflection behaviour was analysed from cracks created via Vickers indentations and the fibre pullout via surface fracture observations. Properties such as fracture toughness, hardness and elastic modulus for the interface and matrix were also evaluated in order to determine the crack deflection parameters established by He and Hutchinson.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2016. / Made available in DSpace on 2017-04-11T04:16:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 344789.pdf: 9160244 bytes, checksum: 908c5a89c601a29ba651dda87d6c88b5 (MD5) Previous issue date: 2016 / Abstract : The sea, sea salt aerosol, direct exposure to sunlight and corrosive fluids make oil and gas rigs hostile environments for its own infrastructure. Metallic pipelines and structural items are being progressively replaced by engineering plastics and composite materials with high structural efficiency and corrosion resistance. As these components require regular inspection and maintenance routines, developing non-destructive inspection techniques is required. The high cost associated with conducting maintenance in hazardous and difficult to access areas, along with the prevalence of premature failure of adhesive bonded joints between composite material pipes, creates a demand for passive long-term monitoring techniques able to act as a bridge between scheduled inspections. This work explores the use of fiber optic sensors integrated into the bonded joints as a potential long-term solution. Several optical fiber sensors were studied and one was selected for testing purposes. Sensors were then integrated internally and externally to bonded joints between pipes with similar geometry to those used in oil and gas rigs. A series of non-destructive tests plus a destructive test were realized. Shearography and computed tomography, as supporting techniques, corroborate the capacity of the selected sensors and devised sensing strategy to detect the presence of voids and debondings at various stages of the pipeline?s life cycle.<br> / O mar, a atmosfera salina, a incidência solar e a presença de fluidos corrosivos fazem de plataformas de prospecção de petróleo e gás ambientes hostis para a infraestrutura nelas instalada. Tubulações e itens estruturais metálicos vêm sendo substituídos por plásticos de engenharia e materiais compostos com alta eficiência estrutural e resistência à corrosão.Um material compósito é formado pela combinação, em escala macroscópica, de dois ou mais componentes com distintas características físicas e química, que quando combinados produzem um material cujas propriedades diferem das de seus constituintes.Visto que estes componentes também necessitam de inspeção e manutenção regular, tem-se a necessidade de desenvolvimento de múltiplas técnicas não-destrutivas de avaliação. O que levou à adaptação de técnicas como a termografia, holografia, shearografia, ultrassonografia e tomografia para a inspeção de compósitos.Ainda, o alto custo associado à realização de ensaios em áreas classificadas e de difícil acesso, conjuntamente com a prevalência de falhas prematuras em uniões adesivadas em tubulações de material composto, criam uma demanda por técnicas passivas de monitoramento a longo prazo capazes de atuar como uma ponte entre as inspeções periódicas.A união por adesivo é um processo testado, confiável e consolidado para unir substratos metálicos, plásticos, cerâmicos e compósitos. Apresenta como vantagens com relação às uniões parafusadas ou rebitadas massa reduzida, melhor distribuição de esforços mecânicos e melhor resistência à fadiga devido à maior flexibilidade e capacidade de inibição da propagação de trincas dos adesivos. Apesar disso são de difícil modelagem matemática, difícil manutenção e são consideradas como uniões permanentes. Este é o processo mais utilizado para unir tubulações de plástico e de compósito, tanto em aplicações na construção civil como na indústria.O presente trabalho explora a utilização de sensores de fibra óptica integrados às uniões adesivadas como potencial solução deste problema.Foram estudados diversos sensores de fibra óptica, como redes de Bragg, interferômetros de Fabry-Pérot e sensores distribuídos com base em deflectometria. Alguns sensores capazes de medir múltiplos parâmetros também são apresentados.Para a realização de ensaios, sensores de fibra óptica foram integrados interna e externamente a uniões adesivadas de tubulações de características similares às utilizadas em campo. Um total de doze fibras sensoras, contendo 3 redes de Bragg cada foram colocadas internamente à camada de adesivo das uniões para medir o campo de deformação axial no interior da união. Além disso, fibras mais longas contendo 12 redes de Bragg foram projetadas para serem enroladas externamente ao longo da circunferência das uniões.Uma série de ensaios não-destrutivos foram realizados, começando-se por testes de inserção dos sensores. Três uniões adesivadas foram instrumentadas, incluindo uma com defeitos planejados para fins de comparação.Por fim um dos corpos de prova foi ensaiado de maneira não-destrutiva para avaliar se a instrumentação integrada possui impacto negativo nas propriedades mecânicas das uniões. O corpo de prova ensaiado falhou em uma região distante da instrumentada, mas mais testes precisam ser realizados para que se estabeleça significância estatística de que a instrumentação não foi deletéria.Shearografia digital e tomografia computadorizada foram utilizadas como técnicas de apoio e corroboraram a capacidade dos sensores selecionados e da estratégia de medição adotada para a detecção da presença de vazios e falhas de adesão em várias etapas do ciclo de vida das uniões.<br>

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Gradução em Ciência e Engenharia de Materiais. / Made available in DSpace on 2012-10-19T15:30:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 188694.pdf: 1070428 bytes, checksum: cbf750e7ef57069b7c73e744a2826e3a (MD5) / A estética dentária é um fator que nos dias atuais vem cada vez mais sendo requerido por parte dos profissionais e exigido pelos pacientes. O material restaurador odontológico conhecido como resina composta vem sendo otimizado para que além da estética, atenda aos requisitos de resistência e durabilidade. Após caracterizar a resina composta, pode-se avaliar o processo de reticulação em função da intensidade e do tempo de exposição ao feixe de luz, através da análise das propriedades físico-químicas e do comportamento térmico dos corpos de prova. O coeficiente de expansão térmico linear obtido foi da mesma ordem de grandeza para os corpos de prova submetidos a diferentes tempos de exposição e intensidade do feixe de luz; por outro lado a microdureza Vickers apresentou valores crescentes com o aumento do tempo de exposição. A influência de soluções ácida ou neutra nos corpos de provas foi analisada observando-se a perda de massa e a microestrutura, após mantê-los imersos em saliva artificial (pH = 5,8) e suco de limão ou refrigerante (pH = 2,2). Os corpos de prova apresentaram massa constante após serem mantidos imersos em saliva artificial durante 8 semanas ou em suco de limão ou refrigerante por 48 horas. Procedimentos pertinentes à otimização do uso clínico deste material restaurador são sugeridos em termos de tempo de exposição e intensidade do feixe de luz.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-19T23:35:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 187521.pdf: 3560264 bytes, checksum: 7d1760ec2b4c1359fdd1567c0124cf19 (MD5) / Este trabalho tem por objetivo analisar a viabilidade de um método de restauração de elementos tubulares utilizando materiais compostos, a partir da análise do comportamento mecânico de um equipamento concebido para esta finalidade. Este equipamento, denominado Dispositivo Restaurador de Dutos (DRD), emprega a técnica de bobinagem automática de fibras em material composto impregnadas em resina, de forma a resgatar a integridade estrutural e conseqüentemente aumentar a vida útil desses elementos. O estudo da viabilidade desse método de restauração, a partir da análise do DRD, passa primeiramente por um levantamento de dados relacionados a problemas encontrados numa operação de manutenção de linhas de dutos, métodos de manutenção, regulamentações e novas tecnologias aplicadas à área de manutenção de dutos, para depois apresentar a proposta de projeto de um dispositivo para restauração de dutos utilizando materiais compostos. Em seguida, metodologias de projeto são aplicadas de forma a definir uma configuração do dispositivo que melhor atenda às necessidades dos potenciais clientes do DRD. Finalmente, modelos geométricos em 3D são construídos de forma a validar os mecanismos do DRD em termos de transmissão de velocidade de rotação, torque e aspectos geométricos do dispositivo eliminando interferências e obtendo o sincronismo entre os mecanismos do DRD e a deposição de fibra impregnada. Definida as características geométricas e de comportamento mecânico do DRD foi possível verificar a viabilidade da utilização do método de reabilitação de dutos deteriorados através de deposição automática de fibra em material composto impregnada em resina. Espera-se a partir desse estudo, poder evidenciar o potencial da aplicação dos materiais compostos em restauração de elementos tubulares, devido às suas propriedades mecânicas e à sua flexibilidade, o que pode tornar o processo de restauração automático e, conseqüentemente, mais rápido e menos caro. O campo de aplicação deste equipamento deverá compreender os oleodutos, gasodutos, adutoras