Projeto FEUP

2016/2017

MIEMM & LCEEMG

COMO PRODUZIR UM NANOMATERIAL

Como produzir uma multicamada

Equipa 3:

Diogo Magalhães MIEMM

João Martins MIEMM

João Eusébio MIEMM

Henrique Veloso MIEMM

Pedro Silva MIEMM

Nuno Dias LCEEMG

Ricardo Silva LCEEMG

Professora: Sónia Simões

Monitora: Tatiana Padrão

03/11/2016

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ÍNDICE

ÍNDICE ............................................................................................................... 2

RESUMO............................................................................................................ 3

INTRODUÇÃO ................................................................................................... 4

EXTRAÇÃO DO COBRE.................................................................................... 5

NANOMATERIAS ............................................................................................... 6

O QUE É UMA MULTICAMADA ....................................................................... 7

MÉTODOS DE PRODUÇÃO .............................................................................. 8

PROCESSO DE DEFORMAÇÃO PLÁSTICA SEVERA – ARB ......................... 9

APLICAÇÕES MULTICAMADAS ..................................................................... 10

CONCLUSÃO ................................................................................................... 11

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 12

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RESUMO

Neste trabalho, temos como principal objetivo investigar e compreender os

processos de produção das multicamadas.

Dentro dos diferentes processos de produção das multicamadas, vamos nos

centrar na deformação plástica severa (ARB), obtendo uma multicamada de

alumínio (Al) e cobre (Cu) em que cada um dos filmes tem uma espessura de

0,5 mm e 0,07 mm, respetivamente, obtendo assim uma multicamada

composta por alumínio e cobre.

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INTRODUÇÃO

O conceito de multicamada já é utilizado pela humanidade desde a era do

bronze, quando o homem aprendeu que unir dois metais diferentes num

mesmo composto poderia gerar um novo composto com a junção de

características dos elementos nele contido.

O campo de estudos que envolve essa matéria tem crescido nos últimos anos,

conforme avançamos no nosso entendimento sobre o mundo dos materiais de

configuração nanométrica, sendo que a junção nanométrica de metais (por

exemplo), pode resultar em novos compostos resistentes e de alta entropia,

como a liga nano cristalina de lítio, magnésio, titânio, alumínio e escândio, ou

ligas cristalinas de grafeno com fibras de vidro que geram nanotubos de alta

capacidade de transmição de internet.

Em suma, o exponencial aumento da importância do estudo sobre

multicamadas permite nos estudar aprofundadamente o tema em questão, e

assim investigar as diversas aplicações e modos de produção de tais

estruturas.

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EXTRAÇÃO DO COBRE

O cobre é um elemento frequentemente utilizado na criação de multicamadas,

pelo facto de se tratar de um metal pouco corrosivo e muito moldável. Estas

características, tal como várias outras, tornam a sua extração essencial para a

utilização de multicamadas.

O cobre é frequentemente encontrado em minérios de calcopirita. É

concentrado e aquecido com silica, carbonato de cálcio e ar/oxigénio numa

fornalha a elevadas temperaturas. Este processo provoca uma redução (ganho

de eletrões) aos iões de cobre no calcopirita, originando um cobre com uma

pureza de 98%-99,5%.

Nos casos em que o cobre se encontre noutro minério, deve recorrer-se à

reação do mesmo com um ácido diluído, o que resultará na formação de sulfato

cúprico. Posteriormente, a solução perde os seus iões de cobre, através do

contacto com um solvente orgânico. E a última etapa consiste na eletrólise da

solução.

As características altamente desejáveis do cobre, como elevada condutividade

elétrica, ductibilidade e resistência, tornam-na particularmente ideal para a

produção de multicamadas de semicondutores. Depois da prata é o melhor

condutor de eletricidade e de calor.

O facto de este material apresentar elevada resistência à corrosão torna-o

também ideal para sistemas de tubagem, apresentando o cobre uma vida útil

de aproximadamente um século.

É um material resistente ao fogo, reciclável, não magnético.

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NANOMATERIAS

Nanomateriais são o objeto de estudo da nanotecnologia e da nanociência e

possuem graus estrururais na oredem dos 10−9 metros. São conhecidos por

terem propiedades especiais, visto a sua escala nanométrica, daí a sua

utilização na nanotecnologia.

Este materiais aprareceram por volta do séc.XX, tendo começado a ser

explorados no séc XXI.

A produção de nanomateriais pode ser dividida em duas áreas:

Top-down (cima para baixo): fabricação, a partir de estruturas de maoir

tamanho, de estruturas em nanoescala, nogeral, por processos físicos.

Bottom-up (baixo para cima): o material é sintetizado quae como um

“puzzle”, montando átomo por átomo, ou até mesmo molécula por molécula.

Normalmente é um processo químico, mas pode ser também físico aquando da

utilização de microscópios potentes.

Os nanomaterias assumem relevância para a comunidade industrial e ciêntifíca

por terem diversas aplicações em variados campos, desde a mecânica e

eletrónica à ótica e à química.

Para além das nanopartículas e nanoesferas, os nanocompósitos são outro tipo

de nanomateriais. Os nanocompósitos são formados por dois ou mais

componentes, em que um dos componentes tem dimensões na escala

nanométrica, o que provoca o aumento da interação entre a partícula e o meio,

melhorando consideralvelmente certas propriedades do nanocompósito face ao

componente puro.

Para finalizar, os nanomateriais oferecem possibilidades técnicas e comerciais

únicas, mas podem apresentar riscos para o ambiente e suscitar preocupações

de saúde.

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O QUE É UMA MULTICAMADA

Estruturas com multicamadas (Multilayer structures) é um conceito imposto a

materiais e estruturas que contenham dois ou mais elementos, e ou

substâncias, dispostas de maneira intercalada em camadas sobrepostas entre

si, de forma a gerar novos compostos, como ligas metálicas.

O termo também é desposto a ser utilizado no âmbito dos nanomateriais já que

a junção de duas nanoestruturas pode criar uma estrutura com multicamadas,

tal como as ligas metálicas que utilizam o grafeno como base, tendo o objetivo

de gerar novos compostos que tenham a boa relação peso/resistência do

grafeno e ao mesmo tempo tenham características desejáveis do outro material

que é posto em conjunção com o grafeno.

Há diversos elementos utilizados para se produzir uma estrutura multicamada,

mas entre eles o alumínio é um dos mais amplamente explorados. O cobre

pode formar uma multicamada com o alumínio, o que até tem as suas

vantagens, visto que as suas propriedades combinadas com o seu baixo custo

de extração permitem que haja uma cresente utilização deste elemento para os

interesses da sociedade e meios académicos. Tanto o cobre como o alumínio

têm boa condutividade elétrica, porém, existem características que acabam por

enriquecer a liga resultante (CuAl) quando postos de maneira a formar uma

estrutura com multicamadas, com características e propriedades de ambos os

elementos.

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MÉTODOS DE PRODUÇÃO

As multicamadas podem ser produzidas através de diferentes processos, assim

como:

Deformação plástica severa (ARB): O fenómeno chamado

de deformação plástica severa modifica a estrutura interna do metal

ou liga metálica.

As principais vantagens são a simplicidade da técnica, a tecnologia

associada, a produção de peças de grande dimensão, a inexistência

de problemas associados à porosidade e a quase nula contaminação

das peças por impurezas.

Pulverização catódica: Esta é uma das técnicas mais

versáteis, podendo ser utilizadas tanto em laboratório como

industrialmente.

Esta técnica pode ser definida como sendo um processo que se dá

quando são ejetados átomos e moléculas de uma superfície, como

resultado do impacto de partículas de alta energia, que se depositam

nas superfícies circundantes.

Eletrodeposição: A eletrodeposição define-se como um

processo de deposição de um filme no substrato, utilizando-se uma

corrente elétrica.

Este processo é relativamente barato, tendo aplicabilidade industrial.

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PROCESSO DE DEFORMAÇÃO

PLÁSTICA SEVERA – ARB

Para o método arb é necessário:

2 chapas dos materiais a processar

Lixa

Laminadora

Álcool

Pano

Luvas (epi)

Primeiro lixa-se as superfícies de contacto das chapas, de forma a promover

atrito entre as peças e consequente união (sem a qual as chapas separam-se

após a laminagem).

A seguir, limpa-se com o pano embebido em álcool.

Depois, junta-se as chapas pela superfície lixada e procede-se à laminação.

Após a laminação, corta-se a parte do material não conforme, e, com a parte

conforme, corta-se ao meio e reproduz-se de novo o processo.

De reparar que cada vez que se executa a laminagem, o numero de camadas

multiplica por dois, portanto, à 10ª vez o processo já reproduziu 1024 camadas

alternadas de material.

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APLICAÇÕES MULTICAMADAS

Nos dias de hoje, existe por parte da comunidade industrial e científica , uma

procura incessante por revestimentos protetores mais resistentes a ambientes

cada vez mais agressivos. Aqui surgem as multicamadas para responder a

estas necessidades .

As multicamadas podem ter vastas aplicações, dependendo apenas, das

espessuras dos filmes e do número de ciclos que constituem a multicamada.

Um exemplo duma multicamada é o TI/Al. A produção desta multicamada tem

com objetivo principal a absorção seletiva da radiação solar. Deste modo, com

os materiais utilizados é possível a criacão de um mecanismo em que a

abrsorção da radiação seja concretizada devido à absorção intrínseca dos

materiais.

Outro exemplo são as camadas de Ni/Al que, ao produzirem elevadas

quantidades de calor na reação localizada entre as camadas são utilizadas na

indústria eletrónica e setores aeroespacial, aeronáutico e automóvel.

As multicamadas podem ser também aplicadas em centrais térmicas,

radiadores, células fotovoltaicas, semicondutores, absorventes de choque.

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CONCLUSÃO

Com base nos resultados obtidos no processo experimental e, com a pesquisa

realizada, podemos concluir que a produção de um material com multicamadas

por ARB não é de todo fácil por ter algum rigor, mas que, com a prática torna-

se bastante simples. Para pôr em marcha a execução do processo de

deformação plástica severa é necessário somente os materiais, neste caso

cobre e alumínio, lâminas de corte e laminação e uma lixa.

Com a junção de cobre/alumínio, obtém-se uma liga metálica que apresenta

características de ambos os elementos, mantendo uma boa condução elétrica

(característica pertencente a ambos os metais) e apesar do alumínio não ter

uma boa resistência mecânica o material resultante apresenta tal característica,

já que há em sua composição o cobre.

Foi necessário, a diminuição da espessura das quantidades de cobre e

alumínio fornecidas, já que para se unir duas camadas de materiais diferentes

pelo processo mecânico/físico, que passa pela laminadora, são necessários

que ambos os materiais base tenham o menor número de camadas de átomos

possível, de forma a beirar a exaustão do material.

Notou-se uma diminuição de aproximadamente 75% na espessura do alumínio

e 65% para o cobre, tendo ambos iniciando o experimento com 2mm, com o

primeiro começando a junção dos elementos após a primeira laminagem, com

0,5mm; enquanto o Cu reduziu-se até obter 0,7mm.

Em seguida foi feita a raspagem dos materiais para que haja maior adesão

entre os dois, para que imperfeições como gordura, fossem retiradas do

material, um algodão embebedado de álcool foi utilizado para realizar uma

limpeza nas áreas lixadas; por fim ambos os elementos foram postos com suas

faces raspadas em contato uma com a outra e dessa forma passaram por 10

ciclos de compressão na laminadora, obtendo assim como resultado um filme

de cobre/alumínio com espessura de 0,3 mm (milímetros), com uma camada

de Cu e uma de Al.

Concluindo-se; o processo, apesar de relativamente demorado, é menos

custoso, pois não há necessidade de se ter um operador muito especializado,

além do baixo custo benefício das máquinas utilizadas, o item mais custoso de

todo o processo é a própria obtenção do cobre, porém este acaba por ser o

benefício de se produzir um material com multicamadas, já que poupa-se

capital sem perder muito das características do material desejado quando se

utiliza o cobre com o alumínio, que é um material muito mais barato e leve do

que o Cu.

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BIBLIOGRAFIA

ProjetoFEUP 2014- 25/10/2016-

https://paginas.fe.up.pt/~projfeup/submit_14_15/uploads/relat_EMM15.pdf

Korosy F.;Miles G.- 25/10/2016 - https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_interconnect

Smith, William F.; Hashemi Javad- 24/10/2016- https://pt.wikipedia.org/wiki/Cobre

Clark, Jim-21/10/2016

http://www.chemguide.co.uk/inorganic/extraction/copper.html

Tentardini,KirinusE.-15/10/2016-

http://www.lume.ufrgs.br/handle/10183/5612?locale=pt_BR

ProjetoFEUP2014-9/10/2016-

https://paginas.fe.up.pt/~projfeup/submit_14_15/uploads/relat_EMM15.pdf

Fogaça,Gennifer-24/10/2016-

http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/flotacaoum-processo-separacao-

misturas.htm

25/10/2016- http://wikienergia.com/~edp/images/thumb/4/4e/Cobre.jpg/400px-

Cobre.jpg

25/10/2016- http://exame.abril.com.br/assets/pictures/20692/size_590_rio-

tinto.jpg?1292246852

25/10/2016-

http://www.solucoesindustriais.com.br/images/produtos/imagens_10111/p_fornecedor-

de-cobre-23.jpg