Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-graduação em Ciência e Engenharia de Materiais / Made available in DSpace on 2012-10-24T02:03:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1
261033.pdf: 2121282 bytes, checksum: 42737fa159ee0551613af75c2ddc7a0a (MD5) / Sistemas de bombeamento capilar (Capillary Pumped Loops ou CPL's) são dispositivos projetados para aplicações em refrigeração em ambientes de microgravidade. Esses tipos de sistemas utilizam um fluido em confinamento para a transferência de calor. As finalidades deste trabalho são a fabricação e a caracterização de estruturas porosas cerâmicas para aplicação em sistemas de bombeamento capilar. Para tal, foram propostas duas rotas de fabricação de meios porosos, uma a partir da técnica de conformação de colagem por barbotina e outra pela técnica de biomodelagem, utilizando apuí e ratam como bioestruturas de partida. Alumina biomórfica foi obtida pela infiltração de vapor de Al em preformados pirolisados de ratam e apuí e subseqüente oxidação. Durante infiltração em vácuo a 1600°C, carbono e vapor de Al reagiram, formando Al4C3. Após processo de oxidação/sinterização a 1600°C durante 3 horas, os preformados de Al4C3 converteram-se em Al2O3. A caracterização destes elementos porosos foi realizada visando à obtenção de parâmetros de interesse para uso em sistemas de bombeamento capilar. Porosidade, distribuição de tamanho de poros, constantes de permeabilidade, diâmetro crítico, pressão capilar, módulo de ruptura e fases cristalográficas presentes foram determinadas através de diversas técnicas de caracterização: porosimetria por intrusão de mercúrio, método de Arquimedes, permeametria gasosa, análise de imagem através de microscopia eletrônica de varredura (MEV) e software de análise de imagem (IMAGO®), ensaio mecânico de compressão e difratometria de raios-x. Uma simulação da permeabilidade utilizando modelos encontrados na literatura foi realizada. A reconstrução tridimensional (3D) foi realizada através do software IMAGO® para simulação de propriedades físicas, como a permeabilidade e tamanho de poros. Dois sistemas de bombas capilares foram construídos com as estruturas cerâmicas fabricadas pelas duas técnicas, para a avaliação do comportamento térmico desses sistemas. A porosidade média obtida através da técnica de colagem por barbotina foi de 54%, com diâmetro de poros no intervalo de 0,5 µm a 2,5 µm e pressão capilar entre 80 kPa e 22 kPa. A constante de permeabilidade darciana (k1) média foi de 1,5.10-14 m2. As amostras apresentaram módulo de ruptura médio de 9 MPa. A biomodelagem mostrou-se eficaz como método de síntese de cerâmicas biomórficas. A análise microestrutural através de MEV revelou que as aluminas biomórficas obtidas mantiveram as características morfológicas das plantas originais (estrutura anatômica hierárquica) ao nível micrométrico, com os canais de condução de fluido intactos. As propriedades obtidas das cerâmicas biomórficas foram: 76% de porosidade média, diâmetro de poros no intervalo de 33 µm a 194 µm, pressão capilar entre 480 e 3000Pa e constante de permeabilidade darciana (k1) de 1,5.10-10 m2. Os CPL's montados com as estruturas cerâmicas produzidas neste trabalho apresentaram bom comportamento térmico para aplicação em sistemas de refrigeração aeroespacial.
Capillary Pumped Loops are devices designed for microgravity cooling applications. These devices utilize a confined fluid for heat transfer. The proposals of this dissertation are the manufacturing and characterization of a ceramic wick structure for capillary pumping application. In this way, two ceramic wick structure manufacturing routes were suggested: slip casting and biotemplating, where apuí and rattan were used as biotemplates. Biomorphic alumina was obtained through the Al vapor infiltration on the carbonized biotemplate and subsequent oxidation. During the infiltration at 1600ºC in vacuum, the carbon and Al reacts resulting in Al4C3. After the oxidation/sinterization processes at 1600ºC during 3 hour, the biotemplates of Al4C3 are totally converted in Al2O3. The characterization of these ceramic wick structures aims to determining parameters for the capillary pumping application. Porosity, pore size distribution, permeability constants, critical diameter, capillary pressure, ultimate strength and present phases were determined by several characterization techniques: mercury intrusion porosimetry, Archimedes' principle, gaseous permeametry, image analysis by scanning electronic microscopy (SEM) and image analysis software (IMAGO®), compression test and x-ray difratometry. A procedure of permeability simulation was carried out with the mathematical models found on literature. A three-dimensional reconstruction was carried out using the software IMAGO® for simulating of physical properties, such as permeability and pore size. For the thermal behavior evaluation two CPL's were assembled with the ceramic wick structure obtained from the two manufacturing techniques proposed. The mean porosity achieved after slip casting was 54%, with a pore size ranging from 0.5 µm to 2.5 µm providing capillary pressure ranging from 80 kPa to 22 kPa. The average darcyan permeability constant (k1) was 1.5.10-14 m2. The samples presented an ultimate tensile strength of 9 MPa. The biotemplating showed to be an efficient method for synthesis of biomorphic wick structures. The microstructural characterization by SEM showed that the biomorphic structure of the alumina samples resembled the morphological characteristics of the vegetal (hierarchical anatomic structure) at micrometric levels, whereas the conduction vases remained intact. The properties achieved on biomorphic wick structures were: 76% of mean porosity, with a pore size ranging from 33 to 194 µm providing capillary pressure ranging from 480 to 3000 Pa. The darcyan permeability constant (k1) was 1.5.10-10 m2. The CPL's assembled with the ceramic wick structures manufactured on this work achieved an adequate thermal behavior for aerospace cooling system application.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsc.br:123456789/91740 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Berti, Lucas Freitas |
| Contributors | Universidade Federal de Santa Catarina, Rambo, Carlos Renato, Hotza, Dachamir |
| Publisher | Florianópolis, SC |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | xx, 110 f.| il., grafs., tabs. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSC, instname:Universidade Federal de Santa Catarina, instacron:UFSC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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