Dispositivo de microdescargas em gases na pressão atmosférica

Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo de microdescargas em gases à pressão atmosférica para geração de plasma a fim de ser utilizado no tratamento de superfícies. O trabalho foi baseado em um estudo de iniciação científica que aconteceu em duas etapas. Na introdução apresentam-se as motivações do estudo, o dispositivo desenvolvido na primeira etapa do trabalho bem como os primeiros resultados e propostas de melhorias. Definem-se os objetivos da segunda etapa, que contemplam modificações no dispositivo de descarga e na fonte de alimentação. Em seguida são explanados os métodos utilizados para confecção do dispositivo, construção da fonte de alimentação e circuito de fotodetecção para observar as descargas. Apresenta-se o modelo e configurações dos experimentos, os resultados obtidos são expostos e debatidos brevemente. Colocam-se as conclusões do trabalho e novas propostas de investigação e melhoramentos para o estudo das microdescargas. Seguem-se os agradecimentos aos envolvidos no projeto e, por fim, a bibliografia utilizada

Weathering resistance of thin plasma polymer films on pre-coated steel

O trabalho apresentado teve origem no projecto de investigação “Tailored Thin Plasma Polymers Films for Surface Engineering of Coil Coated Steel”, financiado pelo Programa Europeu ECSC Steel Research. Sistemas de aço galvanizado pré-pintado em banda à base de poliéster e poliuretano foram submetidos a um processo de polimerização por plasma onde um filme fino foi depositado de modo a modificar as propriedades de superfície. Foram usados reactores de cátodo oco, microondas e rádio frequência para a deposição do polímero fino. Os sistemas preparados foram analisados de modo a verificar a influência do processo de polimerização por plasma na alteração das propriedades barreira dos sistemas pré-pintados em banda. Foi estudado o efeito dos diferentes passos do processo de polimerização por plasma, bem como o efeito de diferentes variáveis operatórias. A mistura precursora foi variada de modo a modificar as propriedades da superfície de modo a poder vir a obter maior hidrofobicidade, maior resistência a marcas digitais, bem como maior facilidade de limpeza. Os testes foram conduzidos em solução de NaCl 0,5 M. Para o trabalho foram usadas técnicas de análise da morfologia da superfície como Microscopia de Força Atómica e Microscopia Electrónica de Varrimento. As propriedades electroquímicas dos sistemas foram estudadas por Espectroscopia de Impedância Electroquímica. A estrutura dos filmes gerados no processo de polimerização por plasma foi caracterizada por Microscopia de Transmissão Electrónica. A modificação das propriedades ópticas devido ao processo de polimerização por plasma foi também obtida.

Mechanical behaviour of AISiC nano composites produced by Ball Milling and Spark Plasma Sintering

Neste trabalho foram produzidos nanocompósitos de AlSiC misturando alumínio puro com nano partículas de SiC com diâmetro de 45 – 55 nm, usando, de forma sequencial, a técnica da metalurgia do pó e a compactação por “ Spark Plasma Sintering”. O compósito obtido apresentava grãos com 100 nm de diâmetro, encontrandose as partículas de SiC localizadas, principalmente, nas fronteiras de grão. O nanocompósito sob a forma de provetes cilíndricos foi submetido a testes de compressão uniaxial e a testes de nanoindentação para analisar a influência das nanopartículas de SiC, da fração volúmica de ácido esteárico e do tempo de moagem, nas propriedades mecânicas do material. Para efeitos de comparação, utilizouse o comportamento mecânico do Al puro processado em condições similares e da liga de alumínio AA1050O. A tensão limite de elasticidade do nanocompósito com 1% Vol./Vol. de SiC é dez vezes superior à do AA1050. O refinamento de grão à escala nano constitui o principal mecanismo de aumento de resistência mecânica. Na realidade, o Al nanocristalino sem reforço de partículas de SiC, apresenta uma tensão limite de elasticidade sete vezes superior à da liga AA1050O. A adição de 0,5 % Vol./Vol. e de 1 % Vol./Vol. de SiC conduzem, respetivamente, ao aumento da tensão limite de elasticidade em 47 % e 50%. O aumento do tempo de moagem e a adição de ácido esteárico ao pó durante a moagem conduzem apenas a um pequeno aumento da tensão de escoamento. A dureza do material medida através de testes de nanoindentação confirmaram os dados anteriores. A estabilidade das microestruturas do alumínio puro e do nanocompósito AlSiC, foi testada através de recozimento de restauração realizado às temperaturas de 150 °C e 250 °C durante 2 horas. Aparentemente, o tratamento térmico não influenciou as propriedades mecânicas dos materiais, excepto do nanocompósito com 1 % Vol./Vol. de SiC restaurado à temperatura de 250 °C, para o qual se observou uma redução da tensão limite de elasticidade na ordem dos 13 %. No alumínio nanocristalino, a tensão de escoamento é controlada pelo efeito de HallPetch. As partículas de SiC, são segregadas pelas fronteiras do grão e não contribuem para o aumento de resistência mecânica segundo o mecanismo de Orowan. Alternativamente, as nanopartículas de SiC constituem um reforço das fronteiras do grão, impedindo o seu escorregamento e estabilizando a nanoestrutura. Deste modo, as propriedades mecânicas do alumínio nanocristalino e do nanocompósito de AlSiC poderão estar relacionadas com a facilidade ou dificuldade do escorregamento das fronteiras de grão, embora não seja apresentada prova explícita deste mecanismo à temperatura ambiente.

Modelação da interacção entre um plasma de arco de alta pressão e cátodos refractários

Nesta dissertação apresento um estudo detalhado de vários aspectos da interacção entre um plasma de arco de alta pressão e cátodos refractários. Um modelo da camada de plasma junto ao cátodo num plasma sujeito a uma pressão da ordem de uma ou várias atmosferas é reconsiderado com base em recentes resultados teóricos. A física da camada de plasma junto ao cátodo é analisada para valores da queda de tensão na camada de plasma junto ao cátodo até 50V, de acordo com recentes resultados experimentais que mostram que a queda de tensão na camada de plasma junto ao cátodo numa descarga de arco de alta pressão pode atingir valores tão elevados. São identificados os mecanismos que originam a não monotonia da dependência da densidade de fluxo de energia (proveniente do plasma para a superfície do cátodo) em relação à temperatura da superfície do cátodo, para um valor fixo da queda de tensão junto ao cátodo. Uma descrição fechada da interacção plasma-cátodo é obtida por meio da resolução numérica do problema não linear com condições de fronteira para a distribuição da temperatura no interior do corpo do cátodo. São apresentados resultados da modelação numérica da descarga difusa nas condições de funcionamento de uma lâmpada de descarga experimental, sendo bom o acordo entre os resultados numéricos e os dados experimentais. Manchas solitárias num cátodo plano infinito e modos difuso e mancha axialmente simétricos em cátodos finitos de descargas de arco de alta pressão são estudados num grande intervalo de corrente. São analisados aspectos gerais e apresentados resultados numéricos referentes a cátodos de tungsténio planos e de forma cilíndrica a operar num plasma de argon à pressão atmosférica para correntes de arco até 100 kA. Émostrado, em particular, que a temperatura da superfície do cátodo no interior de uma mancha solitária varia relativamente pouco, podendo ser estimada com uma precisão de cerca de 200 − 300K sem ser necesário resolver a equação da condução térmica no corpo do cátodo. O comportamento assimptótico das soluções para um cátodo finito no caso limite de altas correntes é encontrado e confirmado pelos resultados numéricos. É confirmado um padrão geral das características tensão-corrente de vários modos de transferência de corrente em cátodos finitos sugerido previamente com base numa análise de bifurcações. É estudada a transição de modos mancha num cátodo finito no limite de cátodos de grandes dimensões para o modo mancha solitária num cátodo plano infinito. É estabelecido que o modo mancha solitária representa uma forma limite do modo mancha de alta tensão num cátodo finito. É considerada a questão da distinção entre modo difuso e modo mancha num cátodo finito. É desenvolvida uma abordagem para o cálculo de pontos de bifurcação nos quais soluções mancha tridimensionais bifurcam-se a partir de soluções que descrevem o modo difuso e modos mancha axialmente simétricos. Em particular, é calculado o primeiro ponto de bifurcação posicionado na solução que descreve o modo difuso e, por conseguinte, o seu limite de estabilidade, isto é, a corrente abaixo da qual o modo difuso torna-se instável. São apresentados os resultados da modelação numérica efectuada para o caso de um cátodo de tungsténio de forma cilíndrica a operar num plasma de alta pressão. É estudado o efeito produzido no limite de estabilidade pelas variações dos parâmetros de controle (dimensões do cátodo, função de trabalho do material do cátodo, tipo e pressão do gás que produz o plasma). Foi encontrado que o comportamento do limite de estabilidade sujeito a estas variações está em conformidade com as tendências observadas experimentalmente. Foi encontrado que o limite de estabilidade é muito mais sensível às variações dos parâmetros de controle do que as características tensão-corrente do modo difuso, sendo o efeito mais forte produzido pelas variações das dimensões do cátodo e da função de trabalho do material do cátodo. Este resultado está em conformidade com o facto experimental de que a transição difuso-mancha é de difícil reprodução.

Os efeitos do plasma não térmico à pressão atmosférica no desenvolvimento larval e anomalias morfológicas de Drosophila Melanogaster

O plasma não térmico nos cuidados de saúde é um campo emergente que tem as suas raízes na ciência de plasmas. Este tipo de investigação tem crescido rapidamente e é agora objeto de um amplo esforço de pesquisa interdisciplinar envolvendo a medicina, a biologia, a física, a química e a engenharia. Têm sido feitos vários trabalhos de modo a elucidar quais as interações das espécies produzidas pelo plasma com os sistemas vivos. É evidente que o mecanismo da interação do plasma com os sistemas vivos é complexo, em parte devido à complexidade do plasma mas principalmente devido à enorme complexidade da biologia. O principal objetivo desta dissertação foi observar os efeitos do plasma não térmico à pressão atmosférica (PNTPAs) no desenvolvimento larval e anomalias morfológicas de Drosophila melanogaster. Para o efeito, foram expostas e analisadas fenotipicamente 2.566 larvas após exposição, dos diferentes estádios (1.º, 2.º e 3.º) de desenvolvimento. Os testes foram realizados com aplicações de plasma com e sem ultra violeta, em duas linhas diferentes de Drosophila; uma linha selvagem preparada por nós e uma linha laboratorial. A análise fenotípica revelou que após exposição as larvas apresentavam alterações no fenótipo e no comportamento que não foram observadas no controlo, nomeadamente anomalias nas mudas, traqueias partidas, formação de massas melanóticas que podiam persistir até à fase adulta, excesso de gotículas lipídicas, atraso no desenvolvimento, comportamento de não alimentação e formação de pupa imatura que levava à formação de pupa precoce e morte pupal. Na fase pupal, as anomalias mais comuns estavam relacionadas com a forma do pupário (causadas pela pipação prematura), apresentando um desenvolvimento aberrante. Entre os vários fenótipos observados, o mais significativo foi o criptocefálico (alterações na eversão dos discos imaginais) levando à morte pupal. Nos adultos, as principais anomalias morfológicas foram registadas na formação e segmentação das patas, na forma e padrão das nervuras das asas e na formação do tórax. A similaridade destes resultados com trabalhos publicados relacionados com a hormona esteróide ecdisona indicam que provavelmente o PNTPA poderá ter influenciado a biossíntese e/ou a regulação da ecdisona, a principal hormona que regula o desenvolvimento e a metamorfose em Drosophila.

Estudo da adesão de pinos endodônticos modificados superficialmente por plasma de oxigênio

The work presents the effect of plasma treatment when applied in fibers or carbon/glass posts in the adhesion fiber/resin and posts/cement. This has for objective the modification of the surface of the fibers, as well as the wettability of the posts, seeking the improvement of the adhesion and of the connection fiber/resin in the processing of polymeric composites reinforced with the same ones. 120 posts (Reforpost) were used and 30 meters of fibers of carbon and of glass (Fibrex), of the company Angelus. The samples were divided in three groups of 40 specimens: GROUP I - 20 posts of glass fiber and 20 of carbon without treatment to it shapes, GROUP II -20 posts of glass fiber and 20 of carbon treated to it shapes in the surface and GROUP III - 20 posts of glass fiber and 20 of carbon make with fibers in natura after plasma treatment. The plasma treatment was accomplished with oxygen and with temperature in the camera fixed at 200°C, for one hour of exhibition. The posts and the fibers were characterized before and after the treatment. The wettability was measure by pendent drop method, and interface fiber/resin and posts/cement were observed by optical and electronic microscopy. It was observed that both wettability and texture were increased with plasma treatment

Avaliação do desempenho do aço D6 tratado termicamente e netretado em plasma com gaiola catódica visando aplicação industrial

In this research there was an evaluation of the best conditions of nitriding in plasma within a cathodic cage at an atmosphere of 80% N2-20%H2 in samples of tool manganese steel AISI D6, cold working, treated thermally in the following conditions: tension relief, treated thermally to temperature of maximum heat, temperate heat and temperate and temperate heat. A pressure of 2.5mbar and temperatures of 400 and 300ºC com treatment time of two and three hours were used to evaluate its performance as cutting tool (punch) of bicycle backs. Hardness, micro-structural aspects (layer thickness, interface, grain size etc), and crystal phases on the surface were appraised. When treated to tension relief, thermally treated to maximum heat temperature, temperature and temperate heat, the samples presented hardness levels of 243HV, 231HV, 832HV, and 653HV, respectively. The best nitrification conditions were: four hours and 300ºC for heat samples. A superficial hardness of 1000HV and a 108µm thickness for the nitrided layer were found in these samples

Avaliação do desempenho do aço AISI D2 tratado termicamente e nitretado em plasma com gaiola catódica visando aplicação industrial

In the research, steel samples tool AISI D2, treated thermally, in the conditions: relief of tension, when maximum, seasoned and seasoned was treated thermally in the temperature of revenimento and revenida had been nitrited in plasma with cathodic cage, in atmosphere of 80%N2:20%H2. One used pressure of 2,5 mbar, 400 and 480°C temperatures with treatment time of 3 and 4 hours, with the objective to evaluate its performance in pipes cut tool. It was compared that the performance of the same steel when only thermally treated, both with tension relief. It was evaluated its hardness. Microstructural aspects (the layer thickness, interface, graisn size, etc) and crystalline phases on the surface. Besides, it was verified accomplishment possibility of nitriding simultaneous to annealing treatment. The tempering samples had presented hardness levels of 600 HV, while in nitrited samples these values had been 1100 HV

Modificação de membranas de quitosana por plasma para uso biológico

Chitosan membranes have been modified by plasma, utilizing the following gases: nitrogen (N2), methane (CH4), argon (Ar), oxygen (O2) and hydrogen. The modified membranes by plasma were compared to the unmodified ones. The membranes were characterized by absorption assay, contact angle, atomic force microscopy (AFM). Also, permeability assay of sodium sulfamerazine from such membranes were carried out. Through the absorption assay and contact angle it was possible to obtain information of the wettability of the membranes and what changes the plasma treatment can promote in relation to it. The plasma treatment using oxygen promoted increase of the wetability and swelling while the samples treated with methane decrease of the wetability and swelling. Through the Optical Emission Spectroscopy (OES) it was possible to identify which species were present in the plasma during the treatment. And through the AFM analysis it was possible to observe the changes nanotopography occurred on the surface of the samples. Permeability assay were archived for all treated membranes and compared to no treated ones. Due to that assay it was possible verify which the plasma treatment increased the permeability spectrum of the membranes which has varied from 1,4548 *10-5cm2.min-1 to 2,7713*10-5cm2.min-1. Chitosan membranes with permeability varied are importance in systems drug delivery, to liberate a wide variety of drugs

Tratamento termoquímico do titânio auxiliado por plasma de ar - N2 - O2

Discs were grade II cp Ti oxynitride by plasma of Ar - N2 - O2 using different proportions of individual gases. These ratios were established from analysis of optical emission spectroscopy (OES) of plasma species. The proportions that resulted in species whose spectra showed an abrupt change of light intensity were chosen for this study. Nanohardness tests revealed that there was a correlation between the intensity of N2 + species with the hardness, because the treatments where they had a higher intensity, obtained a higher value nanohardness, although the crystalline phases have remained unchanged. With respect to topography, it was observed that in general, the surface roughness is related to the intensities of plasma species, because they may have different values depending on the behavior of the species. Images obtained by optical microscopy revealed a surface with grains of different colors to optical reflectance showed a peak of reflection in the red area. Measures the contact angle and surface tension showed hydrophilic properties and hydrophilic with little variation of polar and dispersive components of surface tension

Desenvolvimento de um sistema de nitretação por plasma em fonte pulsada e sua influencia sobre a nitretação do titânio

The pulsed plasma nitriding is a solution currently used in the metallurgical industry to resolve problems earlier in the processing of parts by using plasma DC voltage. These problems consisted mainly of edge effect and opening arches caused due to non-uniformity of electric fields on uneven surfaces. By varying the pulse width can reduce these effects. However, variations in pulse width can drastically affect the population of the plasma species and hence the final microstructure of the nitrided layer. In literature, little is known about the effect of process parameters on the properties of the plasma species and, consequently, the surface properties. We have developed a system of nitriding with pulsed source with fixed period of 800  pulse width is variable. Examined the variation of these parameters on the properties of nitrided surface when keeping constant temperature, gas composition, flow, pressure and power. It was found that the values of width and pulse repetition time of considerable influence in the intensities of the species present in plasma. Moreover, we observed the existence of the edge effect for some values of pulse widths, as well as changes in surface roughness and hardness

Nitretação em plasma com gaiola catódica: investigação do mecanismo e estudo comparativo com a nitretação em plasma de tensão contínua

The ionic plasma nitriding is one of the most important plasma assisted treatment technique for surface modification, but it presents some inherent problems mainly in nitriding pieces with complex geometries. In the last four years has appeared a plasma nitriding technique, named ASPN (Active Screen Plasma Nitriding) in which the samples and the workload are surrounded by a metal screen on which the cathodic potential is applied. This new technique makes possible to obtain a perfect uniform nitrided layer apart from the shape of the samples. The present work is based on the development of a new nitriding plasma technique named CCPN (Cathodic Cage Plasma Nitriding) Patent PI 0603213-3 derived from ASPN, but utilizes the hollow cathode effect to increase the nitriding process efficiency. That technique has shown great improvement on the treatment of several types of steels under different process conditions, producing thicker and harder layers when compared with both, ASPN and ionic plasma nitriding, besides eliminating problems associated with the later technique. The best obtained results are due to the hollow cathode effect on the cage holes. Moreover, characteristic problems of ionic plasma nitriding are eliminated due to the fact that the luminescent discharge acts on the cage wall instead of on the samples surface, which remains under a floating potential. In this work the enhancement of the cathodic cage nitriding layers proprieties, under several conditions for some types of steels was investigated, besides the mechanism for nitrides deposition on glass substrate, concluding that the CCPN is both a diffusion and a deposition process at the same time

Influência das espécies ativas na absorção de intersticiais durante a carbonitretação a plasma do TI

Physical-chemical properties of Ti are sensible to the presence of interstitial elements. In the case of thermochemical treatments plasma assisted, the influence of different active species is not still understood. In order to contribute for such knowledge, this work purposes a study of the role played by the active species atmosphere into the Ar N2 CH4 carbonitriding plasma. It was carried out a plasma diagnostic by OES (Optical Emission Spectroscopy) in the z Ar y N2 x CH4 plasma mixture, in which z, y and x indexes represent gas flow variable from 0 to 4 sccm (cm3/min). The diagnostic presents abrupt variations of emission intensities associated to the species in determined conditions. Therefore, they were selected in order to carry out the chemical treatment and then to investigate their influences. Commercial pure Ti disks were submitted to plasma carbonitriding process using pre-established conditions from the OES measurements while some parameters such as pressure and temperature were maintained constant. The concentration profiles of interstitial elements (C and N atoms) were determined by Resonant Nuclear Reaction Analysis (NRA) resulting in a depth profile plots. The reactions used were 15N(ρ,αγ)12C and 12C(α,α)12C. GIXRD (Grazing Incidence X-Ray Diffraction) analysis was used in order to identify the presence of phases on the surface. Micro-Raman spectroscopy was used in order to qualitatively study the carbon into the TiCxN1 structure. It has been verified which the density species effectively influences more the diffusion of particles into the Ti lattice and characteristics of the layer formed than the gas concentration. High intensity of N2 + (391,4 nm) and CH (387,1 nm) species promotes more diffusion of C and N. It was observed that Hα (656,3 nm) species acts like a catalyzer allowing a deeper diffusion of nitrogen and carbon into the titanium lattice.

Influência dos parâmetros de processo na deposição de nitreto de titânio por plasma em gaiola catódica

Titanium nitride films were grown on glass using the Cathodic Cage Plasma Deposition technique in order to verify the influence of process parameters in optical and structural properties of the films. The plasma atmosphere used was a mixture of Ar, N2 and H2, setting the Ar and N2 gas flows at 4 and 3 sccm, respectively and H2 gas flow varied from 0, 1 to 2 sccm. The deposition process was monitored by Optical Emission Spectroscopy (OES) to investigate the influence of the active species in plasma. It was observed that increasing the H2 gas flow into the plasma the luminescent intensities associated to the species changed. In this case, the luminescence of N2 (391,4nm) species was not proportional to the increasing of the H2 gas into the reactor. Other parameters investigated were diameter and number of holes in the cage. The analysis by Grazing Incidence X-Ray Diffraction (GIXRD) confirmed that the obtained films are composed by TiN and they may have variations in the nitrogen amount into the crystal and in the crystallite size. The optical microscopy images provided information about the homogeneity of the films. The atomic force microscopy (AFM) results revealed some microstructural characteristics and surface roughness. The thickness was measured by ellipsometry. The optical properties such as transmittance and reflectance (they were measured by spectrophotometry) are very sensitive to changes in the crystal lattice of the material, chemical composition and film thicknesses. Therefore, such properties are appropriate tools for verification of this process control. In general, films obtained at 0 sccm of H2 gas flow present a higher transmittance. It can be attributed to the smaller crystalline size due to a higher amount of nitrogen in the TiN lattice. The films obtained at 1 and 2 sccm of H2 gas flow have a golden appearance and XRD pattern showed peaks characteristics of TiN with higher intensity and smaller FWHM (Full Width at Half Maximum) parameter. It suggests that the hydrogen presence in the plasma makes the films more stoichiometric and becomes it more crystalline. It was observed that with higher number of holes in the lid of the cage, close to the region between the lid and the sample and the smaller diameter of the hole, the deposited film is thicker, which is justified by the most probability of plasma species reach effectively the sample and it promotes the growth of the film

Propriedades tribomecânicas de superfícies de titânio carbonitretadas por plasma

Interstitial compounds of titanium have been mainly studied due to the large range of properties acquired when C, N, O and H atoms are added. In this work, surfaces of TiCxNy were produced by thermochemical treatments assisted by plasma with different proportions of Ar + N2 + CH4 gas mixture. The Ar gas flow was fixed in 4 sccm, varying only N2 and CH4 gas flows. During the thermochemical treatment, the plasma was monitored by Optical Emission Spectroscopy (OES) for the investigation of the influence of active species. After treatments, C and N concentration profile, crystalline and amorphous phases were analyzed by Nuclear Reaction (NRA). Besides tribomechanical properties of the Ti surface were studied through the nanohardness measurements and friction coefficient determination. The worn areas were evaluated by profilometry and Scanning Electronic Microscope (SEM) in order to verify the wear mechanism present in each material. It has been seen which the properties like nanohardness and friction coefficient have strong relation with luminous intensity of species of the plasma, suggesting a using of this characteristic as a parameter of process