Essa tese apresenta uma metodologia para calcular os níveis confinados de energia e suas respectivas funções de onda em estruturas de poços quânticos usando o método de matriz de transferência (TMM). Este trabalho visa prover ferramentas para a estimação de absorção devido a transições interbanda e intersubbanda em fotodetectores infravermelhos a poços quânticos (QWIPs). O uso de fotodetectores desse tipo tem se intensificado nos últimos anos, principalmente em imageadores infravermelhos para identificação de alvos de interesse militar e civil. São estudados os conceitos básicos para o entendimento dos fenômenos quânticos que envolvem a detecção por dispositivos desse tipo. Partindo de um Hamiltoniano 8x8 utilizado para o cálculo da estrutura de bandas em materiais semicondutores, desenvolve-se um modelo que representa a dinâmica dos portadores nas bandas de valência e de condução que permite o cálculo dos níveis confinados (subbandas) e suas respectivas funções de onda. Efeitos de não-parabolicidade, tensão/compressão e segregação de compostos são considerados no modelo. A solução numérica das equações diferenciais envolvidas é feita utilizando-se o método de matriz de transferência, que é adaptado para acomodar qualquer perfil de potencial devido à combinação de camadas de compostos semicondutores. Foram desenvolvidos programas para realizar o cálculo das variáveis em discussão. Os resultados obtidos demonstraram uma boa concordância com aqueles reportados na literatura e com medidas realizadas em laboratório em dispositivos reais. A partir dos resultados, estuda-se o efeito das incertezas nos parâmetros dos materiais semicondutores no cálculo em questão. Erros que variam de 0.2 a 5%, dependendo da estrutura, permitem concluir que método desenvolvido pode ser utilizado no projeto de QWIPs com estruturas complexas.

Este trabalho apresenta a caracterização eletro-óptica de fotodetectores para o infravermelho operando nas janelas atmosféricas de ondas médias e longas. Utilizou-se sensores QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) baseados em estruturas semicondutoras de poços quânticos múltiplos de GaAs/AlGaAs e InGaAs/AlInAs, utilizando transições intrabanda. As estruturas semicondutoras foram crescidas pela técnica de Epitaxia de Fase Vapor de compostos Metalorgânicos (MOVPE). As amostras foram medidas na geometria de guia de onda com incidência da radiação a 45 pela borda do substrato. Os dispositivos foram caracterizados quanto sua corrente de escuro e responsividade a 77K. A responsividade foi determinada por dois métodos: usando um simulador de corpo negro como padrão de fonte luminosa e por comparação com um detector comercial de resposta conhecida. A responsividade de ambos os detectores foi determinada como uma função da tensão aplicada. O QWIP de Al0,27Ga0,73As/GaAs apresenta um pico de resposta em torno de ?p = 9,1 ?m e o QWIP de In0,53Ga0,47As/Al0,52In0,48As um pico de resposta em torno ?p = 4,1 ?m.

Esta dissertação apresenta o estudo de metodologias de leitura e condicionamento de sinal de matrizes de fotodetectores a poços quânticos (QWIP-FPA) utilizando circuitos integrados dedicados a base de silício. Dispositivos híbridos como QWIP-FPAs apresentam uma série de particularidades que influenciam o seu desempenho, tais como, estabilidade da tensão de polarização dos fotodetectores, capacitâncias parasitas decorrentes dos PADs de hibridização (QWIP-ROIC) e elevados níveis de corrente de escuro. Uma arquitetura de ROIC ainda não verificada na literatura é proposta, na qual um circuito de célula unitária é projetado para ler, amplificar, fornecer uma tensão de polarização estável para o QWIP, diminuir a influência da capacitância do PAD de hibridização e subtrair a corrente de escuro do detetor, entre outras funcionalidades. A célula unitária foi simulada utilizando-se a ferramenta computacional Mentor Graphics, tecnologia AMS, 0.35?m, 3.3V. Os resultados mostram a possibilidade de se subtrair correntes de escuro geradas pelos QWIPs, realizar a integração da fotocorrente mantendo boa linearidade em uma faixa de operação de 10.2nA de fotocorrente bem como garantir tensões de polarizações estáveis, com variação menor que 0.4 mV para toda a faixa de operação. O circuito foi prototipado com financiamento do projeto PMU-FAPESP, pela Austriamicrosystems. Resultados experimentais preliminares apresentam grande coerência com as simulações, indicando grande potencial para implementação de um ROIC completo utilizando a célula unitária projetada.

Esta tese apresenta uma proposta de metodologia para simulação de Fotodetectores Infravermelhos a Poços Quânticos, empregando-se o programa ATLAS. O ATLAS é um programa comercial, que realiza a simulação das características elétricas, ópticas e térmicas de dispositivos semicondutores. Este trabalho apresentou a simulação das estruturas que fazem parte de um dispositivo monolítico capaz de detectar, simultaneamente, nas faixas do infravermelho próximo (near infrared - NIR), médio (medium-wave infrared - MWIR) e distante (long-wave infrared - LWIR).

Esta dissertação apresenta uma configuração experimental para medida do espectro de detecção de fotodetectores a poços quânticos que operem na faixa do infravermelho do espectro eletromagnético, nos comprimentos de onda entre 0,7 ?m e 15 ?m. Foram empregados 23 equipamentos diferentes, visando obter a espectroscopia de fotocorrente gerada por fotodetectores com uma resolução de 2 fA, em um ambiente com pressão inferior a 10-3 torr, com temperaturas entre 10 K e 100 K, com a aplicação de diferentes tensões de polarização e com resolução espectral de 1nm. Para realização das medidas foi utilizado um fotodetector a poços quânticos (QWIP) capaz de detectar comprimentos de onda nas faixas do infravermelho próximo (NIR), médio (MWIR) e distante (LWIR), simultaneamente. O arranjo experimental proposto é capaz de gerar radiação na faixa desejada, difratar nos comprimentos de onda de interesse, direcionar a radiação aos detectores, amplificar o sinal gerado pelos detectores e comparar as medidas de fotocorrente obtidas. Os resultados obtidos demonstraram elevada concordância com os modelos teóricos existentes na literatura. O domínio sobre as técnicas de caracterização de sensores é fundamental para independência tecnológica da Força Aérea Brasileira na medida em que possibilita a compreensão e adequada utilização dos diferentes dispositivos operacionais empregados.

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.

No presente trabalho, uma simulação numérica foi adotada para resolver o problema da convecção forçada turbulenta acoplada à condução de calor em um duto de seções transversais quadradas e retangulares. As equações utilizadas para a convecção turbulenta são as equações da conservação de massa, quantidade de movimento e energia (equações médias de Navier Stokes, RANS). Estas equações são acopladas à equação da condução de calor aplicada a quatro placas situadas ao redor do canal. Estas placas são acopladas entre si sem resistência térmica. Assunções foram feitas principalmente no escoamento, tais como condição do escoamento turbulento completamente desenvolvido, incompressível e propriedades constantes. A título de comparação, dois modelos de turbulência foram utilizados para resolver as equações da quantidade de movimento e outros dois modelos para resolver a equação da energia. Isto é, para determinar o campo de velocidade, os modelos de turbulência, k-? não linear (NLEVM) e tensão de Reynolds (RSM) (este último simulado em um código comercial) foram adotados e estudados. O campo de temperatura foi determinado a partir de outros dois modelos: Simple Eddy Diffusivity (SED), baseado na hipótese de Prandtl turbulento constante; e Generalized Gradient Diffusion Hypothesis (GGDH). Neste último, como a transferência de calor turbulenta depende das tensões cisalhantes, a anisotropia foi considerada. Cabe ressaltar que estes dois últimos modelos da equação de energia para o fluido, assim como a equação da condução de calor com incorporação da geração de calor para a parte sólida foram adimensionadas e desenvolvidas no código de programação FORTRAN. Os modelos foram validados baseados nos resultados experimentais e numéricos da literatura. Finalmente, os resultados desta investigação permitem avaliar o campo de temperatura do fluido para diferentes seções da seção transversal ao longo da direção principal do escoamento, o qual é influenciado principalmente pela distribuição da temperatura na parede.

Este é um trabalho de desenvolvimento tecnológico estudando a possibilidade do uso de fios da liga NiTi com Efeito de Memória de Forma (EMF) (com recuperação de forma de até 8%) como eletrodos em dispositivos eletropirotécnicos (DE), para ignição de motores foguetes a propelente sólido permitindo uma estanqueidade superior a gases quando comparados aos dispositivos convencionais. Foram testadas três composições em forma de fios: VIM 41 superelástico, VIM 47 e EB 7 martensíticos, todos em relação à temperatura ambiente. Verificou-se a dificuldade de se trabalhar com o fio da liga VIM 41 visto ser este superelástico à temperatura ambiente havendo, portanto, a necessidade de refrigeração abaixo da temperatura MF para posterior alongamento, corte e inserção (vinculação) no conector ou DE. Com fio VIM 47, martensítico, verificou-se que as cargas geradas no aquecimento, para deformações longitudinais pré-fixadas de 4 %, 6 % e 8 %, foram, respectivamente, de 326 MPa, 256 MPa e 176 MPa, isto é, tanto maior quanto menor a pré-deformação inicial. A simulação do possível uso como eletrodo em DE foi feita com os fios da liga EB 7 vinculados em conectores de carbeto de tungstênio. As cargas para pré-deformação longitudinal e as cargas de recuperação de forma (após um descarregamento para uma carga mínima de 10 N) cresceram com o aumento da pré-deformação de 6 %, 8 %, 10% e 12 %. Os resultados de estanqueidade, com exceção da deformação longitudinal de 10 %, foram tanto melhores quanto maiores foram as pré-deformações ultrapassando os valores especificados pela norma MIL-STD-1576 e concordantes com as cargas de desvinculação. Os resultados obtidos neste trabalho indicam a possibilidade do uso de fios com efeito de memória de forma como eletrodo em dispositivos eletropirotécnicos.

Neste trabalho são apresentados estudos acerca de defeitos tipo porosidade encontrados em grão propelente de motor foguete e sua possível influência no comportamento da queima deste motor. Discute alguns dos principais tipos de defeitos que podem ser encontrados e as inspeções e ensaios que são realizados para detectá-los e dimensioná-los. Também descreve alguns tipos e formas com que esses defeitos podem se apresentar e, com base em suas características geométricas, propõe uma classificação para análise e modelagem da evolução de queima. Finalmente, é feita uma avaliação do estado de tensão do grão propelente de um motor S-30, para situações de operação, quando o motor apresenta falhas, e os resultados são comparados com aqueles do motor íntegro. Este estudo pode ser generalizado para outros motores.

The present work is concerned with studying fluid-structure interaction problems using a high-fidelity representation for the fluid. In particular, the research aims to analyze the aeroelastic behavior of rigid airfoils and cylinders with elastic constraints, with emphasis in the effects of the inclusion of viscous terms in the aerodynamic formulation. The aerodynamic operator is constructed from the results of flow simulations using a computational fluid dynamics (CFD) tool which solves the 2-D Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations with appropriate turbulence closures. Both low and high Reynolds number flow conditions are addressed in the present investigation. An in-house developed CFD solver is used for the simulations. Studies of low Reynolds number flows are directed towards addressing the physical phenomena present in the wake of cylinders, as well as their effects on the bodies present in the flow. The typical applications of interest in such cases are vortex-induced vibration problems which can arise in many practical scenarios, ranging from satellite launch vehicles at the launch platform to underwater risers in the petroleum industry. The study of such low Reynolds number flows has also been used as a building block in the process of developing the computational tools for addressing the fluid-structure interaction problems of interest here, since the computational requirements in such cases are much less stringent. Studies performed at high Reynolds number flows are directed towards typical aeroelastic stability analyses of lifting surfaces at transonic conditions. The aeroelastic system of interest is represented by a rigid NACA 0012 airfoil-based typical section with both plunge and pitch elastic degrees of freedom. Root locus stability analyses of the aeroelastic system are performed in order to predict the flutter onset point for a given flight condition. Results obtained in the present work indicate that the simulation capability implemented is adequate for handling the fluid-structure interaction problems of interest. However, as expected, computational requirements become very severe for the high Reynolds number flows and several numerical techniques have to be brought to bear in order to allow treatment of such aeroelastic problems in a sufficiently efficient manner.