辐射交联无卤阻燃绝缘材料的研究

聚合物材料以其优异的电绝缘性能而广泛地用作电气绝缘材料。但聚合物材料易燃的缺点促使人们不断地对其进行阻燃性的研究，这种研究过程从添加卤素阻燃剂到非卤素化阻燃逐步完善。本文在阐述了聚合物材料燃烧特性及机理的基础上，介绍了几种常用的无卤阻燃剂的阻燃机理，并对氢氧化铝、氢氧化镁、红磷及膨胀型阻燃剂等应用于聚乙烯的阻燃进行了实验研究。结果表明：氢氧化铝和氢氧化镁在高添加量时（>150%）,材料具有良好的阻燃性能，但与此同时材料的机械性能、电性能及加工性能等都将受到一定程度的破坏；氢氧化铝和氢氧化镁混合使用时具有协同效应，红磷和氢氧化铝混合使用也具有很好的协同效果；膨胀型阻燃剂（IFR）以较少的添加量（约20%）可使聚乙烯（PE）/乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）共混物获得较好的阻燃性能（OI为28），但由于IFR的颗粒太大导致材料的机械性能损失很大，另外材料燃烧时发烟量高及滴流现象还无法解决。 辐射交联技术广泛应用于聚合物材料的改性处理。本文阐述了聚合物辐射交联的一些规律，并研究了电子束辐照PE/EVA时辐照剂量对材料的机械性能、电学性能、凝胶含量及耐老化性能的影响，得出材料的最佳辐照剂量范围为80-120KGy。

Modeling the effect of lead-free soldering on flexible substrates

Flexible Circuit Boards (FPCs) are now being widely used in the electronic industries especially in the areas of electronic packages. Due to European lead-free legislation which has been implemented since July 2006, electronic packaging industries have to switch to use in the lead-free soldering technology. This change has posed a number of challenges in terms of development of lead-free solders and compatible substrates. An increase of at least 20-50 degrees in the reflow temperature is a concern and substantial research is required to investigate a sustainable design of flexible circuit boards as carrier substrates. This paper investigates a number of design variables such as copper conductor width, type of substrate materials, effect of insulating materials, etc. Computer modeling has been used to investigate thermo-mechanical behavior, and reliability, of flexible substrates after they have been subjected to a lead- free solder processing. Results will show particular designs that behave better for a particular rise in peak reflow temperature. Also presented will be the types of failures that can occur in these substrates and what particular materials are more reliable.

Electrochemical sensor for catechol and dopamine based on a catalytic molecularly imprinted polymer-conducting polymer hybrid recognition element

One of the difficulties with using molecularly imprinted polymers (MIPs) and other electrically insulating materials as the recognition element in electrochemical sensors is the lack of a direct path for the conduction of electrons from the active sites to the electrode. We have sought to address this problem through the preparation and characterization of novel hybrid materials combining a catalytic MIP, capable of oxidizing the template, catechol, with an electrically conducting polymer. In this way a network of "molecular wires" assists in the conduction of electrons from the active sites within the MIP to the electrode surface. This was made possible by the design of a new monomer that combines orthogonal polymerizable functionality; comprising an aniline group and a methacrylamide. Conducting films were prepared on the surface of electrodes (Au on glass) by electropolymerization of the aniline moiety. A layer of MIP was photochemically grafted over the polyaniline, via N,N'-diethyldithiocarbamic acid benzyl ester (iniferter) activation of the methacrylamide groups. Detection of catechol by the hybrid-MIP sensor was found to be specific, and catechol oxidation was detected by cyclic voltammetry at the optimized operating conditions: potential range -0.6 V to +0.8 V (vs Ag/AgCl), scan rate 50 mV/s, PBS pH 7.4. The calibration curve for catechol was found to be linear to 144 µM, with a limit of detection of 228 nM. Catechol and dopamine were detected by the sensor, whereas analogues and potentially interfering compounds, including phenol, resorcinol, hydroquinone, serotonin, and ascorbic acid, had minimal effect (=3%) on the detection of either analyte. Nonimprinted hybrid electrodes and bare gold electrodes failed to give any response to catechol at concentrations below 0.5 mM. Finally, the catalytic properties of the sensor were characterized by chronoamperometry and were found to be consistent with Michaelis-Menten kinetics. © 2009 American Chemical Society.

Contribuição do isolamento térmico para o aumento da eficiência energética em edifícios

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Desenvolvimento de compósito de pu de mamona com carga de resíduo de couro para isolação térmica

The standardization of the bovine skin thickness in the leather industry generates a residue known as wet-blue . At the end of twentieth century, the brazilian industry discarded about 131 thousand tons of this residue in nature, provoking a great environmental liability. In this paper is presented the analyses of the termophysical properties, thermal and volumetric expansion performance of a composite of vegetable resin of castor oil plant (Ricinus communis) with load of industrial residue of leather "wet-blue", for application as thermal isolation material of warm surfaces. There were considered four percentile levels of residue load in the proportions in mass of 0%, 5%, 10% and 15%, added to the expansible resin of castor oil plant in two configurations: sawed leather and crushed leather in a smaller particle (powder) by grinding in a mill of balls. Twenty-one proof bodies were produced for termophysical properties analysis (three for each configuration) and four proof bodies for rehearsals of thermal acting. Analyses of thermal acting were done in test cameras. The results of the rehearsals were compared to those obtained considering the castor oil plant foam without residue addition. A small reduction of the thermal conductivity of the composite was observed in the proportion of 10% of leather residue in both configurations. Regarding thermal conductivity, calorific capacity and diffusivity, it was verified that the proposed composite showed very close values to the commercial insulating materials (glass wool, rock wool, EPS). It was still demonstrated the technical viability of the use of composite as insulating thermal for systems of low potency. The composite presented larger volumetric expansion with 15% of sawed residue of leather.

Obtenção e caracterização de um compósito de poliuretano de mamona e pó de vidro para aplicações em insolantes térmicos

Thermal insulation is used to protect the heated or cooled surfaces by the low thermal conductivity materials. The rigid ricin polyurethane foams (PURM) are used for thermal insulation and depend on the type and concentration of blowing agent. Obtaining PURM occurs by the use of polyol, silicone, catalyst and blowing agent are pre -mixed, reacting with the isocyanate. The glass is reusable, returnable and recyclable heat insulating material, whose time of heat dissipation determines the degree of relaxation of its structure; and viscosity determines the conditions for fusion, operating temperatures, annealing, etc. The production of PURM composites with waste glass powder (PV) represents economical and renewable actions of manufacturing of thermal insulating materials. Based on these aspects, the study aimed to produce and characterize the PURM composites with PV, whose the mass percentages were 5, 10, 20, 30, 40 and 50 wt%. PURM was obtained commercially, while the PV was recycled from the tailings of the stoning process of a glassmaking; when the refining process was applied to obtain micrometer particles. The PURM + PV composites were studied taking into account the standard sample of pure PURM and the influence of the percentage of PV in this PURM matrix. The results of the chemical, physical and morphological characterization were discussed taking into account the difference in the microstructural morphology of the PURM+PV composites and the pure PURM, as well the results of the physicochemical, mechanical e thermophysical tests by values obtained of density, hardness, compressive strength, specific heat, thermal conductivity and diffusivity. In general, the structure of pure PURM showed large, elongated and regular pores, while PURM+PV composites showed irregular, small and rounded pores with shapeless cells. This may have contributed to reducing their mechanical strength, especially for PURM - PV50. The hardness and density were found to have a proportional relationship with the PV content on PURM matrix. The specific heat, thermal diffusivity and thermal conductivity showed proportional relationship to each other. So, this has been realized that the increasing the PV content on PURM matrix resulted in the rise of diffusivity and thermal conductivity and the decrease of the specific heat. However, the values obtained by the PURM composites were similar the values of pure PURM, mainly the PURM-PV5 and PURM-PV10. Therefore, these composites can be applied like thermal insulator; furthermore, their use could reduce the production costs and to preserve the environment

Modelling of the influence of the layer pollution thickness in high voltage polluted insulators

An experimental model and a mathematical model with the introduction of a ramp in the channel of Obenaus model are presented. The aim is to present a better reproduction of the real layer pollution deposited on the HV insulators. This better reproduction is obtained from two types of thickness variation: the introduction of a ramp (soft variation) and the introduction of a step (sudden variation). The computational simulations and the experimental data suggest that the introduction of the ramp is the better reproduction of the layer pollution. The ramp approximates to the real layer pollution more than the step.

Properties of BaBi2Ta2O9 thin films prepared by chemical solution deposition technique for dynamic random-access memory applications

We report on the properties of BaBi2Ta2O9 (BBT) thin films for dynamic random-access memory (DRAM) and integrated capacitor applications. Crystalline BBT thin films were successfully fabricated by the chemical solution deposition technique on Pt-coated Si substrates at a low annealing temperature of 650°C. The films were characterized in terms of structural, dielectric, and insulating properties. The electrical measurements were conducted on Pt/BBT/Pt capacitors. The typical measured small signal dielectric constant and dissipation factor, at 100 kHz, were 282 and 0.023, respectively, for films annealed at 700°C for 60 min. The leakage current density of the films was lower than 10-9 A/cm2 at an applied electric field of 300 kV/cm. A large storage density of 38.4 fC/μm2 was obtained at an applied electric field of 200 kV/cm. The high dielectric constant, low dielectric loss and low leakage current density suggest the suitability of BBT thin films as dielectric layer for DRAM and integrated capacitor applications.

Carta de Aptidão para a implantação de rodovias e avaliação de alternativas de traçado com uso de geotecnologias

This study discuss the use of the geotechnologies to aid the planners on the terrain aptness definition for highways implantation and on the different trace evaluation to the extention of the Governador Carvalho Pinto highway, between Taubaté-SP and Aparecida do Norte-SP. Fratures on the area were mapping using Landsat ETM+, band Pan. In order to elaborate the phisical aptness chart for highway implantation was used the Analitical Hierarchy Process (AHP) operation, in on geographical information system (GIS). Using GIS were realized a ponderate middle with the soils, rocks, relief, slope, fractures and land use/cover maps. Using this physical aptness chart and joinning it with urban and restrict areas (that was inserted by the Boolean operation), were obtained a viability chart for highway implantation. Based on it were proposed three aleatory traces for the Carvalho Pinto highway. This traces were evaluated with the cross tabulation operation. The integration of the restrict areas, land use and phisical aptness in digital media can offer for the planners the cartography of the viability for the highway implantation. The evaliation of these three traces, based on the viability chart, can subsidyse the decision by the planners.

Optical and transport properties of rare-earth trivalent ions located at different sites in sol-gel SnO2

Photoluminescence and photo-excited conductivity data as well as structural analysis are presented for sol-gel SnO2 thin films doped with rare earth ions Eu3+ and Er3+, deposited by sol-gel-dip-coating technique. Photoluminescence spectra are obtained under excitation with various types of monochromatic light sources, such as Kr+, Ar+ and Nd:YAG lasers, besides a Xe lamp plus a selective monochromator with UV grating. The luminescence fine structure is rather different depending on the location of the rare-earth doping, at lattice symmetric sites or segregated at the asymmetric grain boundary layer sites. The decay of photo-excited conductivity also shows different trapping rate depending on the rare-earth concentration. For Er-doped films, above the saturation limit, the evaluated capture energy is higher than for films with concentration below the limit, in good agreement with the different behaviour obtained from luminescence data. For Eu-doped films, the difference in the capture energy is not so evident in these materials with nanoscocopic crystallites, even though the luminescence spectra are rather distinct. It seems that grain boundary scattering plays a major role in Eu-doped SnO2 films. Structural evaluation helps to interpret the electro-optical data. © 2010 IOP Publishing Ltd.

Ensino de eletrostática: a história da ciência contribuindo para a aquisição de subsunções

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Reciclagem de isolantes térmicos presentes em defletores de calor automotivo

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Estudo da interação entre camadas de super-redes supercondutor/isolante/ferromagneto

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Analisi sperimentale e modellazione della conducibilità termica in materiali per la protezione passiva da incendio esterno

Numerosi incidenti verificatisi negli ultimi dieci anni in campo chimico e petrolchimico sono dovuti all’innesco di sostanze infiammabili rilasciate accidentalmente: per questo motivo gli scenari incidentali legati ad incendi esterni rivestono oggigiorno un interesse crescente, in particolar modo nell’industria di processo, in quanto possono essere causa di ingenti danni sia ai lavoratori ed alla popolazione, sia alle strutture. Gli incendi, come mostrato da alcuni studi, sono uno dei più frequenti scenari incidentali nell’industria di processo, secondi solo alla perdita di contenimento di sostanze pericolose. Questi eventi primari possono, a loro volta, determinare eventi secondari, con conseguenze catastrofiche dovute alla propagazione delle fiamme ad apparecchiature e tubazioni non direttamente coinvolte nell’incidente primario; tale fenomeno prende il nome di effetto domino. La necessità di ridurre le probabilità di effetto domino rende la mitigazione delle conseguenze un aspetto fondamentale nella progettazione dell’impianto. A questo scopo si impiegano i materiali per la protezione passiva da fuoco (Passive Fire Protection o PFP); essi sono sistemi isolanti impiegati per proteggere efficacemente apparecchiature e tubazioni industriali da scenari di incendio esterno. L’applicazione dei materiali per PFP limita l’incremento di temperatura degli elementi protetti; questo scopo viene raggiunto tramite l’impiego di differenti tipologie di prodotti e materiali. Tuttavia l’applicazione dei suddetti materiali fireproofing non può prescindere da una caratterizzazione delle proprietà termiche, in particolar modo della conducibilità termica, in condizioni che simulino l’esposizione a fuoco. Nel presente elaborato di tesi si è scelto di analizzare tre materiali coibenti, tutti appartenenti, pur con diversità di composizione e struttura, alla classe dei materiali inorganici fibrosi: Fibercon Silica Needled Blanket 1200, Pyrogel®XT, Rockwool Marine Firebatt 100. I tre materiali sono costituiti da una fase solida inorganica, differente per ciascuno di essi e da una fase gassosa, preponderante come frazione volumetrica. I materiali inorganici fibrosi rivestono una notevole importanza rispetto ad altri materiali fireproofing in quanto possono resistere a temperature estremamente elevate, talvolta superiori a 1000 °C, senza particolari modifiche chimico-fisiche. Questo vantaggio, unito alla versatilità ed alla semplicità di applicazione, li rende leader a livello europeo nei materiali isolanti, con una fetta di mercato pari circa al 60%. Nonostante l’impiego dei suddetti materiali sia ormai una realtà consolidata nell’industria di processo, allo stato attuale sono disponibili pochi studi relativi alle loro proprietà termiche, in particolare in condizioni di fuoco. L’analisi sperimentale svolta ha consentito di identificare e modellare il comportamento termico di tali materiali in caso di esposizione a fuoco, impiegando nei test, a pressione atmosferica, un campo di temperatura compreso tra 20°C e 700°C, di interesse per applicazioni fireproofing. Per lo studio delle caratteristiche e la valutazione delle proprietà termiche dei tre materiali è stata impiegata principalmente la tecnica Transient Plane Source (TPS), che ha consentito la determinazione non solo della conducibilità termica, ma anche della diffusività termica e della capacità termica volumetrica, seppure con un grado di accuratezza inferiore. I test sono stati svolti su scala di laboratorio, creando un set-up sperimentale che integrasse opportunamente lo strumento Hot Disk Thermal Constants Analyzer TPS 1500 con una fornace a camera ed un sistema di acquisizione dati. Sono state realizzate alcune prove preliminari a temperatura ambiente sui tre materiali in esame, per individuare i parametri operativi (dimensione sensori, tempi di acquisizione, etc.) maggiormente idonei alla misura della conducibilità termica. Le informazioni acquisite sono state utilizzate per lo sviluppo di adeguati protocolli sperimentali e per effettuare prove ad alta temperatura. Ulteriori significative informazioni circa la morfologia, la porosità e la densità dei tre materiali sono state ottenute attraverso stereo-microscopia e picnometria a liquido. La porosità, o grado di vuoto, assume nei tre materiali un ruolo fondamentale, in quanto presenta valori compresi tra 85% e 95%, mentre la frazione solida ne costituisce la restante parte. Inoltre i risultati sperimentali hanno consentito di valutare, con prove a temperatura ambiente, l’isotropia rispetto alla trasmissione del calore per la classe di materiali coibenti analizzati, l’effetto della temperatura e della variazione del grado di vuoto (nel caso di materiali che durante l’applicazione possano essere soggetti a fenomeni di “schiacciamento”, ovvero riduzione del grado di vuoto) sulla conducibilità termica effettiva dei tre materiali analizzati. Analoghi risultati, seppure con grado di accuratezza lievemente inferiore, sono stati ottenuti per la diffusività termica e la capacità termica volumetrica. Poiché è nota la densità apparente di ciascun materiale si è scelto di calcolarne anche il calore specifico in funzione della temperatura, di cui si è proposto una correlazione empirica. I risultati sperimentali, concordi per i tre materiali in esame, hanno mostrato un incremento della conducibilità termica con la temperatura, da valori largamente inferiori a 0,1 W/(m∙K) a temperatura ambiente, fino a 0,3÷0,4 W/(m∙K) a 700°C. La sostanziale similitudine delle proprietà termiche tra i tre materiali, appartenenti alla medesima categoria di materiali isolanti, è stata riscontrata anche per la diffusività termica, la capacità termica volumetrica ed il calore specifico. Queste considerazioni hanno giustificato l’applicazione a tutti i tre materiali in esame dei medesimi modelli per descrivere la conducibilità termica effettiva, ritenuta, tra le proprietà fisiche determinate sperimentalmente, la più significativa nel caso di esposizione a fuoco. Lo sviluppo di un modello per la conducibilità termica effettiva si è reso necessario in quanto i risultati sperimentali ottenuti tramite la tecnica Transient Plane Source non forniscono alcuna informazione sui contributi offerti da ciascun meccanismo di scambio termico al termine complessivo e, pertanto, non consentono una facile generalizzazione della proprietà in funzione delle condizioni di impiego del materiale. La conducibilità termica dei materiali coibenti fibrosi e in generale dei materiali bi-fasici tiene infatti conto in un unico valore di vari contributi dipendenti dai diversi meccanismi di scambio termico presenti: conduzione nella fase gassosa e nel solido, irraggiamento nelle superfici delle cavità del solido e, talvolta, convezione; inoltre essa dipende fortemente dalla temperatura e dalla porosità. Pertanto, a partire dal confronto con i risultati sperimentali, tra cui densità e grado di vuoto, l’obiettivo centrale della seconda fase del progetto è stata la scelta, tra i numerosi modelli a disposizione in letteratura per materiali bi-fasici, di cui si è presentata una rassegna, dei più adatti a descrivere la conducibilità termica effettiva nei materiali in esame e nell’intervallo di temperatura di interesse, fornendo al contempo un significato fisico ai contributi apportati al termine complessivo. Inizialmente la scelta è ricaduta su cinque modelli, chiamati comunemente “modelli strutturali di base” (Serie, Parallelo, Maxwell-Eucken 1, Maxwell-Eucken 2, Effective Medium Theory) [1] per la loro semplicità e versatilità di applicazione. Tali modelli, puramente teorici, hanno mostrato al raffronto con i risultati sperimentali numerosi limiti, in particolar modo nella previsione del termine di irraggiamento, ovvero per temperature superiori a 400°C. Pertanto si è deciso di adottare un approccio semi-empirico: è stato applicato il modello di Krischer [2], ovvero una media pesata su un parametro empirico (f, da determinare) dei modelli Serie e Parallelo, precedentemente applicati. Anch’esso si è rivelato non idoneo alla descrizione dei materiali isolanti fibrosi in esame, per ragioni analoghe. Cercando di impiegare modelli caratterizzati da forte fondamento fisico e grado di complessità limitato, la scelta è caduta sui due recenti modelli, proposti rispettivamente da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos [3] e Daryabeigi, Cunnington, Knutson [4] [5]. Entrambi presentavano il vantaggio di essere stati utilizzati con successo per materiali isolanti fibrosi. Inizialmente i due modelli sono stati applicati con i valori dei parametri e le correlazioni proposte dagli Autori. Visti gli incoraggianti risultati, a questo primo approccio è seguita l’ottimizzazione dei parametri e l’applicazione di correlazioni maggiormente idonee ai materiali in esame, che ha mostrato l’efficacia dei modelli proposti da Karamanos, Papadopoulos, Anastasellos e Daryabeigi, Cunnington, Knutson per i tre materiali analizzati. Pertanto l’obiettivo finale del lavoro è stato raggiunto con successo in quanto sono stati applicati modelli di conducibilità termica con forte fondamento fisico e grado di complessità limitato che, con buon accordo ai risultati sperimentali ottenuti, consentono di ricavare equazioni predittive per la stima del comportamento, durante l’esposizione a fuoco, dei materiali fireproofing in esame. Bologna, Luglio 2013 Riferimenti bibliografici: [1] Wang J., Carson J.K., North M.F., Cleland D.J., A new approach to modelling the effective thermal conductivity of heterogeneous materials. International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3075-3083. [2] Krischer O., Die wissenschaftlichen Grundlagen der Trocknungstechnik (The Scientific Fundamentals of Drying Technology), Springer-Verlag, Berlino, 1963. [3] Karamanos A., Papadopoulos A., Anastasellos D., Heat Transfer phenomena in fibrous insulating materials. (2004) Geolan.gr http://www.geolan.gr/sappek/docs/publications/article_6.pdf Ultimo accesso: 1 Luglio 2013. [4] Daryabeigi K., Cunnington G. R., and Knutson J. R., Combined Heat Transfer in High-Porosity High-Temperature Fibrous Insulation: Theory and Experimental Validation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer 25 (2011) 536-546. [5] Daryabeigi K., Cunnington G.R., Knutson J.R., Heat Transfer Modeling for Rigid High-Temperature Fibrous Insulation. Journal of Thermophysics and Heat Transfer. AIAA Early Edition/1 (2012).

Aging of nuclear power plant cables: in search of non-destructive diagnostic quantities

The safety systems of nuclear power plants rely on low-voltage power, instrumentation and control cables. Inside the containment area, cables operate in harsh environments, characterized by relatively high temperature and gamma-irradiation. As these cables are related to fundamental safety systems, they must be able to withstand unexpected accident conditions and, therefore, their condition assessment is of utmost importance as plants age and lifetime extensions are required. Nowadays, the integrity and functionality of these cables are monitored mainly through destructive test which requires specific laboratory. The investigation of electrical aging markers which can provide information about the state of the cable by non-destructive testing methods would improve significantly the present diagnostic techniques. This work has been made within the framework of the ADVANCE (Aging Diagnostic and Prognostics of Low-Voltage I\&C Cables) project, a FP7 European program. This Ph.D. thesis aims at studying the impact of aging on cable electrical parameters, in order to understand the evolution of the electrical properties associated with cable degradation. The identification of suitable aging markers requires the comparison of the electrical property variation with the physical/chemical degradation mechanisms of polymers for different insulating materials and compositions. The feasibility of non-destructive electrical condition monitoring techniques as potential substitutes for destructive methods will be finally discussed studying the correlation between electrical and mechanical properties. In this work, the electrical properties of cable insulators are monitored and characterized mainly by dielectric spectroscopy, polarization/depolarization current analysis and space charge distribution. Among these techniques, dielectric spectroscopy showed the most promising results; by means of dielectric spectroscopy it is possible to identify the frequency range where the properties are more sensitive to aging. In particular, the imaginary part of permittivity at high frequency, which is related to oxidation, has been identified as the most suitable aging marker based on electrical quantities.