In this work small and large-scale wear tests of polyurethane (PU) sliding against polyamide (PA) were carried out. In the large-scale tests, PU and PA samples were submitted to conditions similar to those found in oil and gas platform operations. The wear of these samples was measured using a coordinate measuring machine. Using the small-scale test configuration, the influence of contact geometry, sliding velocity, sliding stroke and contact pressure at the coefficient of friction (COF) and on the wear mechanisms was evaluated. In both test scales, the wear mechanisms of PA and PU samples were analyzed using a scanning electron microscope. The thermal behavior of PA samples was investigated using differential scanning calorimetry. The PA physic-chemical analysis was performed using X-ray diffraction and Raman spectroscopy and infrared spectroscopy for PU. In large-scale tests was observed that the outer cover of flexible riser pipes had a maximum wear rate of 0.016 mm/km, while in the liner this wear rate was 0.264 mm/km. It was also observed that variations in the hardness of PU liner lead to an important change on the wear mechanisms and, consequently, on the wear rate. The wear rate at large-scale was also strongly affected by the contact temperature. Due to the reduction of the contact temperature, a sharp reduction on the liner wear rate was observed. However, no significant variation in the rate of wear of PA riser cover was noticed. In small-scales tests, under the same sliding velocity and contact pressure observed in the field, the tribological wear behavior was changed. It was also observed that increasing the contact pressure or reducing the sliding stroke leads to a decrease the COF, while the sliding velocity only induced a change in this parameter if the contact temperature was significantly increased. Using test parameters in small scale which lead to a temperature rise in the tribocontact, it was possible to reproduce the tribological behavior observed in large-scale test. / Neste trabalho foram realizados ensaios tribológicos envolvendo o par poliuretano (PU) e poliamida (PA) em escala real e reduzida. Nos ensaios em escala real, os materiais foram submetidos a condições similares às observadas em plataformas de óleo e gás. O desgaste destas amostras foi avaliado utilizando uma máquina de medir por coordenadas. Nos ensaios em escala reduzida foram avaliados os efeitos da geometria do contato, da velocidade de deslizamento, da amplitude de deslizamento e da pressão de contato sobre o coeficiente de atrito (COF), bem como sobre os mecanismos de desgaste. Para as amostras de ambas as escalas, os mecanismos de desgaste da PA e do PU foram observados através de microscopia eletrônica de varredura. O comportamento térmico das amostras de PA foi investigado através da calorimetria exploratória diferencial. A análise físico-química foi realizada utilizando difração de raios-x e espectroscopia Raman para a PA e a espectroscopia no infravermelho para o PU. Nos ensaios em escala real foi observado que as capas dos dutos flexíveis têm uma taxa de desgaste máxima de 0,016 mm/km, enquanto no liner essa taxa foi de 0,264 mm/km. Observou-se também que variações na dureza do PU do liner levaram a uma importante alteração dos mecanismos atuantes e, consequentemente, da taxa de desgaste. Essa taxa de desgaste foi também fortemente influenciada pela temperatura no contato. Essas alterações foram verificadas mediante a introdução de afastamentos periódicos entre os corpos durante o teste. Neste caso, o desgaste do liner foi mínimo. Todavia, a PA da capa externa não apresentou variação significativa na taxa de desgaste. Nos ensaios em escala reduzida, sob mesmas condições de velocidade e pressão observadas em campo, não foi obtida a mesma resposta tribológica. Notou-se também que o aumento da pressão ou redução da amplitude de deslizamento reduz o COF, enquanto a velocidade somente alterou este parâmetro caso houvesse uma alteração significativa da temperatura no contato. Mediante a utilização de parâmetros de teste na escala reduzida que levavam ao aumento da temperatura no contato, foi possível reproduzir o comportamento tribológico observado em escala real. / Doutor em Engenharia Mecânica

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Surface texturing can be used to improve the tribological performance of mechanical contacts, in particular in the case of lubricated systems. The purpose of this work is to improve an alternative method for surface texturing based on electrochemical machining. Electrochemical dissolution combines high speed, good reproducibility and high cost-benefit ratio, which are important factors when an industrial application of surface texturing is pursued. Since the area to be textured is not required to be masked, the technique is optimized, without the need of a pre or post treatment of each surface. Another nonconventional machining technique, Electrical Discharge Machining (EDM), was used to drill microholes in the cover of the tool that will be used in the microtexturing operations. The pattern of microholes in the tool is copied onto the workpiece through the action of electrochemical dissolution. The improvement of the electrochemical texturing technique was achieved with the design of an electronic circuit with a data acquisition system and of an electrochemical cell and with the specification of the electrolyte pumping system, which improved the surface finish of the textured workpiece, as well as with the development of tools that made possible the confection of different microtexture patterns. In the electrochemical cell, the tool material was AISI 230 ferritic stainless steel and the workpiece material was carbon steel AISI 1010o. Sodium Chloride was chosen as the electrolyte tool makes the electrical contact between the electrodes. During the electrochemical texturing tests, the effect of important parameters such as the gap between electrodes, the applied voltage and the total texturing time were evaluated, and the best values found were a gap of 100 mm, a voltage between 30V and 40V and a texturing time between 20s and 60s. Different texturing patterns were obtained with good results, including dots, trace-dots and chevrons. A tribological test showed a reduction in friction and wear of a textured surface lubricated with MoS2, when compared with a smooth surface. / A texturização superficial pode ser utilizada para melhorar o desempenho tribológico de contatos mecânicos, em particular em regimes lubrificados. O presente trabalho tem o objetivo de aprimorar uma metodologia alternativa para a texturização de superfícies baseada em princípios de usinagem eletroquímica. A dissolução eletroquímica alia rapidez, reprodutibilidade e elevado custo-benefício, que são extremamente importantes quando se visa a aplicação da microtexturização em escala industrial. O não mascaramento da área a ser texturizada otimiza a técnica, dispensando um tratamento prévio e posterior de cada superfície. Uma técnica também não convencional de usinagem, a eletroerosão, foi utilizada para a microfuração da tampa da ferramenta a ser usada na microtexturização. O padrão de microfuração da ferramenta é copiado à peça pela ação da dissolução eletroquímica. O aprimoramento da técnica de texturização eletroquímica foi acompanhado pelo projeto de um circuito eletrônico com sistema de aquisição de dados, de uma célula eletroquímica e pelo dimensionamento de um sistema para bombeamento e fluxo de eletrólito, que permitiram uma melhora no acabamento superficial das peças microtexturizadas, além do desenvolvimento de ferramentas que viabilizaram a confecção de diferentes padrões de microtexturização. Na célula de texturização eletroquímica, o material da ferramenta foi o aço inoxidável ferrítico AISI 430 e o da peça foi o aço carbono 1010. O eletrólito escolhido para promover o contato elétrico entre os eletrodos foi o NaCl. Durante a texturização eletroquímica foram avaliados parâmetros importantes como o distanciamento entre eletrodos, a tensão aplicada e o tempo total de texturização, sendo que os melhores resultados foram obtidos para um distanciamento de 100 mm, uma tensão de 30 a 40 V e um tempo de texturização entre 20 e 60 s. Foram texturizados ainda padrões com formatos de ponto, traço-ponto e V , obtendo-se bons resultados. Um teste tribológico mostrou uma redução do atrito e uma diminuição do desgaste de uma superfície texturizada lubrificada com MoS2, quando comparada com uma superfície lisa. / Mestre em Engenharia Mecânica

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Neste trabalho um novo microtribômetro capaz de fazer uma análise visual da superfície de desgaste foi desenvolvido a fim de estudar atrito e desgaste em ensaios de deslizamento com movimento alternado em baixas cargas. Um atuador piezelétrico e um sistema programável permitem o controle da força normal durante o ensaio, uma célula de carga tridimensional é responsável pela medição contínua de carga normal e da força de atrito e um sensor LVDT acoplado ao equipamento mede a posição da amostra durante os ensaios. A alta taxa de aquisição de dados, característica desse sistema, permite a geração de mapas de triboscopia 3D, onde as cores quantificam o coeficiente de atrito em função da posição dentro da marca de desgaste e do número de ciclos. Adicionalmente, um microscópio óptico, montado no pórtico, captura periodicamente imagens em uma determinada posição da marca de desgaste, mostrando a evolução dos eventos observados durante o processo. A frequência do movimento pode variar entre 0,03 - 2,0 Hz e a força normal aplicada 0,3 - 13 N. Com a finalidade de validar esse dispositivo, o coeficiente de atrito, os mecanismos de desgaste e o volume desgastado foram comparados com os ensaios realizados em um tribômetro comercial e, para tanto, foi utilizado um aço VC10 revestido quimicamente cm níquel químico como amostra. Em ambos os tribômetros, os parâmetros de frequência, força normal e amplitude foram definidos com 2,0 Hz, 9,81 N e 10 mm, respectivamente. O contracorpo utilizado foi uma esfera de aço SAE 52100 com 5,0 mm de diâmetro. Os resultados mostraram que este novo microtribômetro fornece mecanismos de desgaste, coeficiente de atrito e volume desgastado semelhantes quando comparado ao tribômetro comercial, garantindo uma boa confiabilidade para ensaios tribológicos. Após a validação do equipamento, mapas de triboscopia e capturas de imagens foram utilizados para monitorar e analisar a evolução das trilhas de desgaste produzidas durante os ensaios de deslizamento alternado. / A new microtribometer capable of performing an optical analysis of the wear interface was developed in order to study friction and wear in low load reciprocating sliding wear tests. A piezoelectric actuator and a programmable system allow normal force control during the test. A tridimensional load cell is responsible for continuous measurement of normal load and frictional force. An LVDT sensor coupled to the sample driving apparatus measures the position of the sample during testing. This system’s characteristic high data acquisition rate allows the generation of 3D triboscopy maps, in which the colours quantify the friction coefficient according to the position within the wear mark and the number of cycles. Furthermore, an optical microscope mounted in the portico periodically captures images in a particular wear mark position showing the evolution of the events observed during the wear process. The frequency of the movement may vary between 0.03 to 2.0 Hz and the normal load applied from 0.3 to 13 N. In order to validate this device the friction coefficient, the wear mechanisms and the worn volume were compared with tests performed in a commercial tribometer. A VC10 steel chemically coated with nickel was used as sample. In both tribometers the frequency, load and amplitude parameters were set as 2.0 Hz, 9.81 N and 10 mm respectively. The counterbody was an AISI 52100 steel ball with 5.0 mm diameter. Results showed that this new microtribometer provides similar wear mechanisms, friction coefficient and worn volume when compared to the commercial tribometer, ensuring good reliability for tribological tests. After the equipment validation, triboscopy maps and image captures were used to monitor and analyze the evolution of the wear tracks produced during the sliding reciprocating tests. / Dissertação (Mestrado)

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / In this work, methodologies to evaluate the wear of flexible riser pipe and bend stiffener samples were developed. In order to achieve this goal, a three coordinate measuring machine (3CMM) was used to evaluate the wear rates of samples tested in in a large-scale tribometer. Additionally, the events that occur during the sliding wear of these samples were correlated with vibration signals from the tribometer structure. The first methodology was applied to estimate the linear wear of riser samples of the polyamide outer coating that was based on the thickness reduction during the test. The second methodology was designed to estimate the volumetric wear loss of the bendstiffener samples. To evaluate the thickness loss of the riser samples, the Calypso® software was used to define the alignment and to determine and execute the measurement strategy. In order to assess the bend-stiffener volume, the same software was used to define the system alignment. The Dimension Volume® software was used to define and to perform the measurement strategy. The sample volume was calculated using a specially designed program that was developed in Matlab®. In order to analyze the vibrations during the wear test, a routine of data acquisition, monitoring and storage of vibration signals in Labview® software was developed and implemented. The results showed that the developed methodology to quantify the riser thickness loss using a 3CMM is viable and efficient in measuring the wear process of this tribosystem. It was also found that the developed program using Matlab® was an effective tool to evaluate the volumetric losses of bend-stiffeners samples. The measurement strategy using a mesh spacing of 1 mm x 1 mm was considered the most adequate to estimate the volume of a bend-stiffener sample accurately and with the least possible amount of points. Furthermore, it was observed a vibration peak located at 16.71 Hz, that should be related to the wear process. / Neste trabalho foram desenvolvidas e aplicadas duas metodologias para quantificar o desgaste em amostras de risers e enrijecedores utilizando uma máquina de medir a três coordenadas (MM3C). Tais amostras foram testadas em um tribômetro capaz de realizar ensaios de desgaste por deslizamento em escala real. Adicionalmente, foram correlacionados os eventos que ocorrem durante o processo de desgaste destas amostras com as vibrações na estrutura do tribômetro. A primeira metodologia foi aplicada na estimativa do desgaste linear em amostras de risers, com base na variação de espessura, enquanto que a segunda foi destinada à estimativa do desgaste volumétrico em amostras de enrijecedores, tendo por base a perda de volume das mesmas. Para avaliar a perda de espessura nas amostras de riser foi utilizado o software Calypso® na definição do alinhamento e na determinação e execução da estratégia de medição. Já na avaliação do volume das amostras de enrijecedores, foi utilizado o mesmo software na definição do alinhamento. O software Dimension Volume® foi empregado na definição e execução da estratégia de medição, e, para calcular o volume destas amostras, foi elaborado e utilizado um programa em Matlab®. Com o intuito de analisar as vibrações durante o ensaio de desgaste, foi desenvolvida e implementada uma rotina de aquisição, monitoramento e salvamento dos sinais de vibrações no software Labview®. Os resultados obtidos permitiram concluir que a metodologia desenvolvida para quantificação da perda de espessura de risers usando uma MM3C é uma técnica viável e eficiente. Constatou-se, também, que o programa desenvolvido em Matlab® foi uma ferramenta eficaz na avaliação volumétrica das amostras de enrijecedores. A estratégia de medição com malha 1 mm x 1 mm foi considerada a mais adequada para estimar o volume de uma amostra de enrijecedor, com precisão e com a menor quantidade de pontos possível. Além disso, verificou-se que o pico da amplitude vibratória esteve localizado em 16,71 Hz, que deve estar relacionado ao processo de desgaste. / Mestre em Engenharia Mecânica

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

Amostras de aço AISI H13 foram nitretadas utilizando uma fonte DC por 5 horas, em atmosfera de 80%N2/20%H2, em duas densidades de corrente (alta e baixa) e em diferentes temperaturas. As fases formadas nas amostras nitretadas foram correlacionadas com o comportamento do coeficiente de atrito, do desgaste e da dureza. As intensidades de emissão luminescente relacionadas aos íons N2+ e moléculas N2 no plasma foram medidas e observou-se que são maiores nas condições em que as densidades de corrente também são maiores. Como esperado de resultados da literatura, quanto maior a temperatura de nitretação maior é a espessura das camadas nitretadas. Foi observado que em temperaturas iguais, maiores densidades de corrente provocam a formação de camadas de compostos mais espessas. As amostras foram analisadas usando difração de raios X por incidência rasante, espectroscopia Mössbauer de conversão de elétrons, análise por reação nuclear, espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente, microscopia eletrônica de varredura, análise por microssonda eletrônica e perfilometria. As amostras foram testadas em um ultramicrodurômetro e em um tribômetro do tipo pino-sobre-disco. Análises Rietveld foram aplicadas aos difratogramas do material massivo e da zona de difusão para discriminar entre as fases ferrita e martensita. A composição de fases das amostras nitretadas utilizando diferentes parâmetros mostraram a presença de diferentes fases contendo nitrogênio (e, y' e martensita ∝'-Fe(N)) e carbono (martensita ∝' -Fe(C) e cementita). Na maior temperatura usada neste trabalho, a quantidade relativa das fases e e y' mostrou dependência da densidade de corrente. A correlação entre o conteúdo das fases e as propriedades mecânicas e tribológicas mostrou que nas amostras onde a segregação de carbono foi associada com a formação de cementita, o coeficiente de fricção foi menor do que nas regiões onde as fases e ,y' e martensita foram observadas. Nas amostras com maior conteúdo de martensita e menos e e y', o desgaste foi menor. A distribuição em profundidade da dureza e do conteúdo de martensita y' Fe(N) apresentaram o mesmo comportamento. / AISI H13 steel samples were nitrided using a DC source for 5 hours, under 80% N2/20% H2 atmosphere, at two current densities (high and low), and different temperatures. The phase content on the plasma nitrided samples was correlated to coefficient of friction, wear, and hardness. The plasma emissions were measured and it was observed that the intensity of N2+ ions and N2 molecules was higher at high current density. As expected from previous results in the literature, higher nitriding temperatures resulted in thicker layers. It was observed that at the same temperatures, higher current densities induced thicker compound layers as well. The samples were analysed with grazing incidence x-ray diffraction, conversion electron Mössbauer spectroscopy, nuclear reaction analysis, glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, and perfilometry, and were tested in an ultramicrohardness tester and on a pin-on-disc tribometer. Rietveld analysis was applied to discriminate between ferrite and martensite in the diffraction patterns of the bulk samples and of the diffusion zone. The phase composition of the nitrided samples with different parameters showed the presence of different phases containing nitrogen (e, y', and martensite) and cementite. At the highest temperature used in this work, the relative amount of the phases e and y'showed a dependency on the current density. The correlation of the phase content with the mechanical and tribological properties showed that in samples with carbon segregation and formation of cementite, the friction coefficient was lower than in in regions where the phases e, y', and martensite were observed. In the samples with higher martensite content and less e,y' the mechanical wear was lower. Hardness presented the same trend as the content of martensite ∝'-Fe(N) in the depth profile.

Amostras de aço AISI H13 foram nitretadas utilizando uma fonte DC por 5 horas, em atmosfera de 80%N2/20%H2, em duas densidades de corrente (alta e baixa) e em diferentes temperaturas. As fases formadas nas amostras nitretadas foram correlacionadas com o comportamento do coeficiente de atrito, do desgaste e da dureza. As intensidades de emissão luminescente relacionadas aos íons N2+ e moléculas N2 no plasma foram medidas e observou-se que são maiores nas condições em que as densidades de corrente também são maiores. Como esperado de resultados da literatura, quanto maior a temperatura de nitretação maior é a espessura das camadas nitretadas. Foi observado que em temperaturas iguais, maiores densidades de corrente provocam a formação de camadas de compostos mais espessas. As amostras foram analisadas usando difração de raios X por incidência rasante, espectroscopia Mössbauer de conversão de elétrons, análise por reação nuclear, espectroscopia de emissão óptica por descarga luminescente, microscopia eletrônica de varredura, análise por microssonda eletrônica e perfilometria. As amostras foram testadas em um ultramicrodurômetro e em um tribômetro do tipo pino-sobre-disco. Análises Rietveld foram aplicadas aos difratogramas do material massivo e da zona de difusão para discriminar entre as fases ferrita e martensita. A composição de fases das amostras nitretadas utilizando diferentes parâmetros mostraram a presença de diferentes fases contendo nitrogênio (e, y' e martensita ∝'-Fe(N)) e carbono (martensita ∝' -Fe(C) e cementita). Na maior temperatura usada neste trabalho, a quantidade relativa das fases e e y' mostrou dependência da densidade de corrente. A correlação entre o conteúdo das fases e as propriedades mecânicas e tribológicas mostrou que nas amostras onde a segregação de carbono foi associada com a formação de cementita, o coeficiente de fricção foi menor do que nas regiões onde as fases e ,y' e martensita foram observadas. Nas amostras com maior conteúdo de martensita e menos e e y', o desgaste foi menor. A distribuição em profundidade da dureza e do conteúdo de martensita y' Fe(N) apresentaram o mesmo comportamento. / AISI H13 steel samples were nitrided using a DC source for 5 hours, under 80% N2/20% H2 atmosphere, at two current densities (high and low), and different temperatures. The phase content on the plasma nitrided samples was correlated to coefficient of friction, wear, and hardness. The plasma emissions were measured and it was observed that the intensity of N2+ ions and N2 molecules was higher at high current density. As expected from previous results in the literature, higher nitriding temperatures resulted in thicker layers. It was observed that at the same temperatures, higher current densities induced thicker compound layers as well. The samples were analysed with grazing incidence x-ray diffraction, conversion electron Mössbauer spectroscopy, nuclear reaction analysis, glow discharge optical emission spectroscopy, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, and perfilometry, and were tested in an ultramicrohardness tester and on a pin-on-disc tribometer. Rietveld analysis was applied to discriminate between ferrite and martensite in the diffraction patterns of the bulk samples and of the diffusion zone. The phase composition of the nitrided samples with different parameters showed the presence of different phases containing nitrogen (e, y', and martensite) and cementite. At the highest temperature used in this work, the relative amount of the phases e and y'showed a dependency on the current density. The correlation of the phase content with the mechanical and tribological properties showed that in samples with carbon segregation and formation of cementite, the friction coefficient was lower than in in regions where the phases e, y', and martensite were observed. In the samples with higher martensite content and less e,y' the mechanical wear was lower. Hardness presented the same trend as the content of martensite ∝'-Fe(N) in the depth profile.

Orientador: Francisco das Chagas Marques / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-16T08:31:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Viana_GustavoAlexandre_D.pdf: 26050862 bytes, checksum: 8af75e89f5e6b6013343b0c988c3e7ee (MD5) Previous issue date: 2010 / Resumo: Ao longo desse projeto de doutorado, foi projetado e construído um sistema de deposição de filmes, livre de bombeamento (LB) de gás(es) no decorrer dos processos e capaz de realizar deposições em duas modalidades: ¿Sputtering¿ e PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Amostras amorfas carbohidogenadas (a-C:H) do tipo diamantinas (DLC) e poliméricas (PLC) foram obtidas em deposições por PECVD, nas quais, variou-se o fluxo de gás metano (CH4 ¿ precursor). Com a redução dos fluxos, dentro das condições de deposição adotadas e da geometria de nosso sistema, são observados, para os filmes DLC (PLC), aumento da ordem de 83% (54%) para a taxa de deposição e queda de 44% (56%) no volume de CH4 consumido, para cada nm de filme depositado, porém, em razão da saturação da atmosfera de deposição por H2, não concomitante com o regime LB. Através de caracterizações optoeletrônicas, vibracionais e mecânicas, conforme se reduz o fluxo de CH4, observam-se comportamentos semelhantes em ambos os tipos de amostras depositadas para os valores do gap óptico e hidrogenação, sempre com as amostras do tipo PLC mais isolantes e hidrogenadas. Contudo, comportamentos distintos em relação ao índice de refração (n) e stress intrínseco são estabelecidos. Enquanto as amostras do tipo PLC apresentam-se praticamente não estressadas e com tendência de queda para o valor de , as do tipo DLC assistem ao crescimento de ambos os valores. Além disso, medidas de Raman no visível revelam aumentos para os valores da posição da banda G e razão ID/IG, conforme se reduz o fluxo de CH4, indicando aumento na proporção da razão sp2/sp3. Ainda para as amostras DLC, medidas de dureza mostraram ótimos resultados para este tipo de modalidade de deposição, chegando a valores de até ~20 GPa. Filmes amorfos não hidrogenados de carbono (a-C) foram depositados por ¿Sputtering ¿de um alvo de grafite em atmosferas de deposição compostas por Argônio (Ar) e Xenônio (Xe). Todas as deposições em atmosferas de Xe foram realizadas em regime LB, visando, com isso, além da economia no consumo de Xe, obter as condições de deposição que mais favorecessem sua incorporação por parte das matrizes de a-C. Da redução dos fluxos de Ar empregados nas deposições, os melhores resultados foram concomitantemente obtidos para o regime LB (diferente do que se observa em PECVD), onde um aumento de 70% na taxa de deposição foi acompanhado de uma queda de seis ordens de grandeza no volume de gás consumido para cada nm de filme depositado. Resultado este, excelente do ponto de vista de economia de gás(es). Assim como nas amostras depositadas por PECVD, nestas também foram realizadas caracterizações optoeletrônicas e mecânicas, as quais revelaram valores para o stress, gap óptico e n condizentes com amostras do tipo grafíticas (GLC). Medidas de efusão térmica, realizadas em amostras incorporadas de Xe, permitiram pela primeira vez, até onde sabemos, a determinação do coeficiente de difusão e da energia livre de difusão (~1.9 e V) para átomos de Xe aprisionados em uma matriz amorfa do tipo GLC. Procedimentos de ativação e posterior espectroscopia gama, conduzidos em amostras de a-C:Xe, confirmaram a capacidade de transmutação do isótopo estável 124Xe (abundância natural de 0.1%), via bombardeio de nêutrons térmicos e capturas eletrônicas, para o radionuclídeo 125I, muito utilizado em tratamentos anticancerígenos como o de próstata, por exemplo. Dessa forma, baseados nos resultados de ativação e detecção gama, na habilidade terapêutica do 125I e na bio/hemocompatibilidade dos filmes de a-C, nesse trabalho de doutorado, é proposto um modelo comercial para sementes clínicas, utilizadas em tratamentos localizados anticancerígenos denominados de Braquiterapia, baseadas em filmes amorfos de carbono incorporados do isótopo 124Xe (i.e., a-C:124Xe), com dose e atividade adequados para tal propósito / Abstract: In this PhD thesis a Sputtering and PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) deposition system, appropriated for deposition free of gas pumping along the procedure, was projected and built. Hydrogenated amorphous (a-C:H) with Diamond-Like carbon (DLC) and Polymer-Like carbon (PLC) structures were deposited by PECVD under different methane (CH4) flow rate. The properties of the films changes significantly as the CH4 flow rate decreases from high flow (~80 sccm) to zero flow (pumping free deposition). An increase in the deposition rate of the DLC (PLC) films by 83% (54%), accompanied by a fall of 44% (56%) of the CH4 volume consumed to deposited the films, was observed at CH4 flow rate of 3.9 sccm, compared to films deposited at high flow rate. For smaller CH4 flow rate, the deposition rate decreases due to H2 saturation of the deposition atmosphere. The optical gap (determined by uv-visible transmission spectroscopy) and hydrogen concentration (determined by FTIR) varies in a similar fashion for both series of films (DLC and PLC) as a function of CH4 flow rate. Electrical conductivity measurements revealed that the PLC films are always more insulating than the DLC films. The concentration of hydrogen (determined by FTIR) is much higher in PLC films. The behavior of the index of refraction and the stress as a function of CH4 flow rate, for both series of films, are quite different from each other. PLC films has very small stress and the index of refraction decreases as the CH4 decrease, while the opposite is observed for DLC films, which are very compressive stressed and the index of refraction increases in the same range. Visible Raman scattering, performed on the DLC films, shows an increase of the G peak position and ID/IG rate, as the CH4 decreases, indicating an increase in the sp2/sp3 ratio. Nanohardness measurements also show that the harder films (~20 GPa) are obtained at relatively low flow rate. Non-hydrogenated amorphous carbon films (a-C) were deposited by Sputtering a graphite target in argon (Ar) or xenon (Xe) atmosphere. Differently from the result observed in films deposited by PECVD, the highest deposition rate obtained by sputtering was under pumping free deposition (zero argon flow rate). In this case an increase of 70% in the deposition rate was obtained, accompanied by six order of magnitude drop of the gas consumption. All the depositions performed in Xe atmosphere were carried out in pumping free regime to reduce Xe consumption and also to determine the best deposition setup in order to acquire the higher incorporation on Xe into the a-C matrix. High concentration of xenon (3.6%) was obtained with an extremely low consumption of xenon gas. Optoelectronic and mechanical characterization were carried out in the films deposited by sputtering and revealed that their stress, index of refraction and optical gap are consistent with graphite-like carbon films (GLC). Thermal desorption spectroscopy, performed in Xe incorporated samples, allowed, for the first times, to the best of our knowledge, to determine the diffusion coefficient and the free diffusion energy (~19eV) of Xe atoms trapped into amorphous GLC matrix. Activation procedure followed by gamma counting spectroscopy, carried out in a-C:Xe films, confirm the isotopic transmutation ability of the stable 124Xe(0.1% of natural abundance), by thermal neutrons bombardment and electrons capture, to the radionuclide 125I, which is an element largely employed in anticancer treatment, like the prostate one, for example. Thus, based on the activation and gamma counting results, on the 125I therapeutic ability and the a-C hemo/biocompatibility, in this PhD thesis it is proposed a model for commercial clinical seeds, used in local anticancer treatment named Brachytherapy, based on the isotope 124Xe incorporated amorphous carbon film (i.e., a-C:124Xe), with appropriate dose and activity to this purpose / Doutorado / Física da Matéria Condensada / Doutor em Ciências

Neste trabalho foi investigado o processamento e propriedades mecânicas e tribológicas do compósito cerâmico Al2O3- NbC com o objetivo de desenvolver um compósito cerâmico com melhores propriedades do que a alumina pura. Como material para comparação foi utlizado a alumina que é uma cerâmica tradicionalmente aplicada onde é necessária elevada resistência mecânica e ao desgaste. A composição Al2O3-0,5%wtY2O3-20%wtNbC, que origina o compósito, passou por moagem e mistura em moinho tipo atrittor e secagem em evaporador rotativo. O pó obtido foi caracterizado quanto a distribuição granulométrica e morfologia. A alumina seguiu a rota tradicional de moagem e mistura em moinho de bolas, secagem em spray dryer; e mesma caracterização realizada para o compósito. Foi realizado estudo da sinterização em dilatômetro para os dois materiais com intuito de determinar as condições ideais de sinterização. Por meio de prensagem uniaxial seguida de prensagem isostática a frio foram confeccionadas amostras na forma de discos e pinos. Os materiais densos foram obtidos por sinterização normal sendo que a alumina ao ar e o compósito em atmosfera de argônio. As fases formadas no dois materiais foram determinadas por difração de raios X. As microestruturas foram estudas em microscópio eletrônico de varredura nas superfícies polidas e atacadas. Entre as propriedades mecânicas foram medidas o módulo elástico, a dureza e a tenacidade à fratura por meio de impressões Vickers. O compósito desenvolvido apresentou valores superiores em todas estas propriedades em relação a alumina. O estudo do comportamento tribológico foi realizado por meio do deslizamento de pinos, com extremidade cônica, de alumina e do compósito cerâmico sobre discos de alumina. Os ensaios foram realizados com a velocidade de 0,4m/s e com carregamento, por meio de peso morto, de 10N sob diferentes níveis de umidade relativa ( 26,8; 48 e 76,3%). O coeficiente de atrito cinético médio, assim como a taxa de desgaste, diminuiu em todos os ensaios com o aumento da umidade relativa, para os dois materiais. Este comportamento foi relacionado com a formação de uma camada na interface de contato entre as superfícies do pino e do disco de hidróxido de alumínio. O compósito demostrou maior resistência ao desgaste em todas as condições tribológicas estudadas. O compósito cerâmico desenvolvido claramente possui boas perspectivas como um novo material cerâmico em importantes aplicações técnicas. / In the present work processing, and mechanical and tribological properties of a ceramic composite Al2O3-NbC were investigated in order to develop a ceramic material with superior properties. Alumina was chosen as a reference since it is a traditional ceramic material for applications where elevated mechanical properties and wear resistance are required. The composition Al2O3 - 0.5 wt%Y2O3-20 wt%NbC was prepared by attrition milling followed by drying in a rotaevaporator. The resulting powder mixture was characterized for granulometry and powder particles morphology. Alumina was processed according to the traditional route of ball milling followed by passing through a spray drier, and the processed powder was then characterized the same way as the composite. Dilatometry was accomplished for both materials in order to define the ideal sintering conditions. Samples with the shape of discs and pins were compacted by uniaxial pressing followed by cold isostatic pressing. Densification was achieved by sintering in air and in argon for alumina and the composite, respectively. Phase composition of sintered materials was studied by X-ray diffraction (XRD). Microstructure was investigated by means of scanning electron microscopy (SEM) on polished and etched surfaces. Materials were also characterized for a number of mechanical properties, in particular for Young modulus, hardness, and fracture toughness by Vickers indentation method. The developed composite exhibited superior mechanical properties as compared to alumina. Tribological behavior was investigated by means of a sliding pin on disk test with pins of a conical shape prepared both from alumina and the composite, and an alumina disk. Tests were performed with the sliding speed of 0.4 m/s and 10N load under varying humidity conditions (26.8; 48, and 76.3%). Both the mean coefficient of friction and the wear rate diminished in all tests with the increase of humidity for both materials. Such behavior was attributed to a aluminum hydroxide layer formation between the pin and the disk surfaces. The developed composite exhibited better wear resistance under all tribologic conditions studied. The developed ceramic composite obviously has good perspectives as a new material for a variety of important technical applications.

Para transmitir o torque gerado pelo motor de combustão interna para a caixa de transmissão por meio da embreagem, seja em automóveis ou caminhões, é necessário que haja contato por deslizamento entre um material polimérico multifásico e um contracorpo metálico de ferro fundido cinzento. Além disso, os níveis do coeficiente de atrito entre esses materiais têem que ser suficientemente alto e estável, para proporcionar uma transmissão de torque regular e eficiente. Porém, durante o deslizamento, materiais são transferidos de uma superfície para outra, e alterações microestruturais e fisico-químicas ocorrem. Como consequência, uma nova superfície (denominada de tribofilme) se desenvolve, influenciando o desempenho funcional da embreagem. Dessa forma, compreender as suas características tem se tornado essencial para desenvolver sistemas de embreagens cada vez mais eficientes. No entanto, muitos ensaios são necessários para que se possa entender como uma ou várias matérias primas se comportam em relação aos aspectos tribológicos. Isso faz com que surja a necessidade de repetir os ensaios inúmeras vezes, para que se façam as escolhas mais assertivas tanto das matérias primas quanto dos processos envolvidos. Como alternativa, para reduzir tempo e custos, e ter um maior controle sobre as variáveis de ensaio, busca-se simular em laboratório, com equipamentos mais simples, a reprodução das interações tribológicas em condições reais. A primeira fase deste trabalho tem como objetivo apresentar os mecanismos de desenvolvimento do tribofilme para três níveis de severidade em condições reais de aplicação (ensaios mais demorados, complexos e mais caros, devido à necessidade da confecção completa dos protótipos), e posteriormente correlacionar esses mecanismos com os que foram simulados por meio de ensaios conduzidos num tribômetro de laboratório do tipo pino-disco (ensaios mais rápidos e mais simples, consequentemente menos complexos), variando o PV de 3,08 até 11,08 MPa ms-1. Foi constatado que as características do tribofilme dependem da severidade da aplicação. Além do que, o tribômetro pino-disco (amostra de 13 mm de diâmetro externo) consegue reproduzir os mecanismos identificados em campo, pois houve paridade na transferência das características do tribossistema do modelo de ensaio para o da condição real (430 mm de diâmetro externo). Na segunda fase, diferentes séries de ensaios tribométricos foram realizadas para investigar a influência do tribossistema no desempenho funcional do par tribológico (atrito e desgaste). Para os ensaios tradicionais, foi constatada um aumento na taxa de desgaste para temperaturas superiores a 250°C, revelando uma transição no regime moderado de desgaste para o severo. Quando os debris de desgaste foram removidos do meio interfacial, o nível do coeficiente de atrito aumentou e a taxa de desgaste reduziu. Já a adição de debris de desgaste ao meio interfacial contribuiu para aumentar a taxa de desgaste e reduzir drasticamente o nível do coeficiente de atrito. No entanto, quando os ensaios foram realizados empregando discos pré-condicionados, a taxa de desgaste e o nível do coeficiente de atrito foram otimizados, principalmente em níveis de severidade mais elevados (PV 10,09 MPa ms-1) indicando potencial ganho na eficiência do sistema embreagem. / Torque from an internal combustion-engine to a gear box, either in automobiles or trucks, is transmitted by a clutch system. In order to transmit torque from one side to the other, sliding contact between a multiphase friction material and a gray iron rotor is necessary. Torque transmission depends on the friction level among the tribological couples, and it have to be relatively high and most importantly stable to allow an efficient and regular performance. During the sliding between the coupling surfaces, material is transferred from one surface to the other causing microstructure and chemical changes. As consequence, a new surface, also known as tribofilm, is developed. This surface governs the clutch system performance and understanding the tribofilm characteristics is very important to improve the development of efficient clutch systems. For this, a large number of tests are necessary to understand the tribological behavior of the raw materials. Such investigation is highly empirical and in order to have a consistent data it\'s necessary to carry out several friction tests repetitions. Alternatively, to save time and money, and have better control over the test variables, the real tribological interactions can be simulated in laboratory by using simple equipment, pin-on-disc tribometer. The simplicity of this device allows evaluating a larger number of alternative materials. The first part of this work aims to investigate the tribofilm development mechanisms in three severity levels on the field application (those tests are more time-consuming, complex and expensive, because it is necessary to produce the entire prototype), and then correlate these mechanisms with those simulated in a pin-on-disc tribometer (faster and simpler test) by changing the PV level from 3.08 to 11.08 MPa ms-1. It was found that the tribofilm characteristics depend on the severity of application. In addition, the pin-on-disc tribometer (sample of 13 mm outside diameter) can reproduce the same mechanisms that were identified on the field, due to the parity between the tribosystem characteristics of test model and field condition (430 mm external diameter). In the second part of this work, different series of tribometer tests were performed to investigate the influences of tribosystem on tribological couple performance (friction and wear). Standard tribometer tests presented an increasing in the wear rate at temperatures of 250°C, revealing a transition from moderate to severe wear regime. When wear debris were removed from the interfacial contact, the friction coefficient level increased and wear rate reduced. On the other hand, when the wear debris were added, it contributed to increase the wear rate and to reduce the friction level dramatically. However, when the experiments were performed by using pre-conditioned discs, the wear rate and friction coefficient level has been optimized, particularly at higher severity levels (PV 10.09 MPa ms-1).