Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais

Correlação entre as curvas força - deslocamento do ensaio Small Punch Test (SPT) e propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração uniaxial

2026-01-01T00:00:00Z

Correlação entre as curvas força - deslocamento do ensaio Small Punch Test (SPT) e propriedades mecânicas obtidas no ensaio de tração uniaxial Alves, João Batista Com o crescimento das demandas industriais, manter a disponibilidade de equipamentos com confiabilidade e segurança, a custos competitivos, tornou-se um desafio. O ensaio Small Punch Test (SPT) destaca-se como uma alternativa miniaturizada para a estimativa indireta das propriedades mecânicas e da vida útil de componentes, especialmente em situações nas quais a remoção de amostras em dimensões convencionais é inviável, sob o risco de comprometer a integridade física desses componentes. A literatura apresenta diversas metodologias para a estimativa de propriedades mecânicas a partir dos resultados do SPT, e os coeficientes propostos para as equações empíricas utilizadas variam significativamente em função do tipo de material analisado. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo avaliar essas metodologias de correlação entre as curvas força?deslocamento obtidas no ensaio SPT e as curvas tensão?deformação provenientes do ensaio de tração uniaxial, aplicadas aos aços-carbono SAE 1020, 1045 e 1060. Os ensaios SPT foram conduzidos conforme os requisitos da norma EN 10371:2021, com o emprego de corpos de prova miniaturizados em formato de disco (8 mm de diâmetro e espessura nominal de 0,50 mm) e a aplicação de uma taxa de deslocamento do punção de 0,2 mm/min. Para avaliar a influência da espessura real sobre a resposta mecânica, ensaiaram-se amostras com variações dimensionais de aproximadamente ± 3% em torno do valor nominal. Os resultados demonstraram boa correlação entre os parâmetros característicos do ensaio SPT e as propriedades mecânicas de tração uniaxial, com coeficientes de determinação (R2) superiores aos reportados na literatura para algumas metodologias analisadas. Verificou-se ainda que variação da espessura dentro da faixa de ±3% da espessura nominal não afetou significativamente os valores de resistência obtidos a partir dos resultados dos ensaios SPT. As análises microestruturais evidenciaram que diferenças na morfologia das fases e no comportamento plástico dos materiais influenciaram diretamente a resposta força?deslocamento do SPT. Em concordância com as diretrizes normativas, observou-se um aumento dos coeficientes R2 quando a reta de ajuste é forçada a passar pela origem; contudo, ressalta-se que essa imposição pode elevar artificialmente o valor de R2, exigindo cautela na sua interpretação física. Por outro lado, de modo semelhante ao relatado na literatura, a correlação para a estimativa do alongamento apresentou-se baixa. Conclui-se que as metodologias avaliadas apresentam potencial para a estimativa indireta de propriedades mecânicas por meio do ensaio SPT. Todavia, reitera-se a importância do rigor no controle experimental e da consideração dos efeitos das características da microestrutura para assegurar a confiabilidade e a precisão das correlações propostas.; Abstract: With the increasing industrial demands, maintaining equipment availability with reliability and safety, while ensuring competitive costs, has become a major challenge. The Small Punch Test (SPT) has emerged as a promising miniaturized technique for the indirect estimation of mechanical properties and component service life, especially in situations where the removal of conventionally sized specimens is impractical or may compromise the structural integrity of the components. The literature presents several methodologies for estimating mechanical properties based on SPT results, and the coefficients proposed for the empirical equations vary significantly depending on the type of material analyzed. In this context, the present study aimed to evaluate the correlation methodologies between the load-displacement curves obtained from the SPT and the stress-strain curves derived from uniaxial tensile tests, applied to SAE 1020, SAE 1045, and SAE 1060 carbon steels. The SPT tests were conducted in accordance with the requirements of EN 10371:2021, using miniaturized disc-shaped specimens with an 8 mm diameter and a nominal thickness of 0.50 mm, and employing a punch displacement rate of 0.2 mm/min. To evaluate the influence of the actual specimen thickness on the mechanical response, samples with dimensional variations of approximately ±3% relative to the nominal thickness were tested. The results demonstrated a good correlation between the characteristic SPT parameters, and the mechanical properties obtained from uniaxial tensile tests, with coefficients of determination (R²) higher than those reported in the literature for some of the methodologies evaluated. Furthermore, variations in specimen thickness within the range of ±3% of the nominal thickness did not significantly affect the strength values estimated from the SPT results. Microstructural analyses revealed that differences in phase morphology and in the plastic behavior of the materials directly influenced the load-displacement response obtained from the SPT. In agreement with the normative guidelines, an increase in the coefficients of determination was observed when the regression line was forced through the origin. However, it should be noted that this constraint may artificially increase the R² values, requiring caution in their physical interpretation. On the other hand, similarly to what has been reported in the literature, the correlations established for the estimation of elongation exhibited low coefficients of determination, indicating limitations in the use of the SPT for predicting this mechanical property. It can be concluded that the methodologies evaluated exhibit potential for the indirect estimation of mechanical properties by means of the Small Punch Test. Nevertheless, the importance of rigorous experimental control and the consideration of microstructural characteristics are emphasized in order to ensure the reliability and accuracy of the proposed correlations. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2026.

Oxidação superficial de borracha nitrílica por técnica assistida por plasma para redução do envelhecimento termo-oxidativo

2026-01-01T00:00:00Z

Oxidação superficial de borracha nitrílica por técnica assistida por plasma para redução do envelhecimento termo-oxidativo Zanzi, Mateus de Sousa A durabilidade de elastômeros em aplicações de vedação é um desafio recorrente na engenharia, especialmente diante de condições termo-oxidativas que comprometem a integridade e a funcionalidade desses materiais ao longo do tempo. As estratégias usualmente adotadas para controlar esse envelhecimento limitam-se à substituição por materiais de maior valor agregado, em vez de explorar alternativas para materiais comerciais amplamente utilizados, como a borracha nitrílica (NBR). Assim sendo, este trabalho propõe a oxidação superficial controlada de amostras de NBR por tratamento a plasma de corrente contínua pulsada, em baixa pressão, sob atmosfera de argônio e oxigênio (Ar/O2). O objetivo é desenvolver uma solução para retardar o envelhecimento a partir da formação de uma barreira superficial oxidada, explorando o mecanismo de oxidação limitada por difusão (efeito DLO). Quatro configurações de tratamento foram avaliadas com níveis de duty cycle de 30% e 70% e atmosferas contendo 20% e 80% de O2 complementadas com 80% e 20% de Ar, respectivamente. As condições de tratamento foram avaliadas por meio de ensaios de nanoindentação, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (ATR FTIR), calorimetria exploratória diferencial (DSC), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS) com análise em profundidade e espectroscopia de emissão óptica (OES) do plasma. Além disso, as membranas antes e após o tratamento foram avaliadas através de uma bancada experimental desenvolvida para avaliar a permeabilidade por difusão de hélio. Definida a condição de tratamento, amostras tratadas e de referência foram submetidas a envelhecimento termo-oxidativo acelerado em diferentes temperaturas, por até 60 dias. As amostras envelhecidas foram comparadas por análise termogravimétrica (TGA), ATR FTIR, perfil de módulo de indentação, dureza, relaxação de tensões sob compressão e compression set (CS). Com base na caracterização química e mecânica, propôs-se um mecanismo de interação entre o plasma e a borracha. A condição com 30% de duty cycle e mistura de 20% de Ar e 80% de O2 apresentou o maior nível de oxidação e de rigidez superficial, com implantação de átomos de oxigênio, sem redução da permeabilidade ao hélio e sem alteração das propriedades de volume das amostras. Após o envelhecimento nessa condição, as amostras tratadas apresentaram maiores valores de dureza na superfície exposta, e a evolução da rigidez na seção transversal ocorreu de forma mais lenta e gradual do que na amostra de referência. Na condição de envelhecimento mais crítica, a amostra de referência apresentou CS de 109,0%, enquanto a amostra tratada registrou 94,9%. A previsão de vida útil pela metodologia de sobreposição tempo e temperatura (TTS), adotando 79,9% de CS como valor limite, indicou maiores tempos de vida para a amostra tratada nas temperaturas mais baixas, em razão da menor energia de ativação. Com aumento de 8,6% na vida útil prevista a 40 °C, a amostra tratada apresentou comportamento mais uniforme e menos agressivo durante o envelhecimento, o que evidencia o potencial do tratamento por plasma na mitigação da deterioração termo-oxidativa da NBR.; Abstract: The durability of elastomers in sealing applications is a recurring engineering challenge, particularly under thermo-oxidative conditions that compromise the integrity and functionality of these materials over time. Commonly adopted strategies to control this aging are limited to replacing them with higher value-added materials, rather than exploring alternatives for widely used commercial materials such as acrylonitrile butadiene rubber (NBR). Therefore, this work proposes the controlled surface oxidation of NBR samples by low-pressure, pulsed direct current (DC) plasma treatment in an argon and oxygen (Ar/O2) atmosphere. The objective is to develop a solution to delay aging by forming an oxidized surface barrier, exploiting the diffusion-limited oxidation (DLO) mechanism. Four treatment configurations were evaluated using duty cycle levels of 30% and 70%, with atmospheres containing 20% and 80% O2, supplemented with 80% and 20% \"Ar\" , respectively. The treatment conditions were evaluated through nanoindentation tests, attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) with depth profiling, and optical emission spectroscopy (OES) of the plasma. Furthermore, the membranes before and after treatment were evaluated using an experimental test bench developed to measure helium diffusion permeability. Once the treatment condition was established, treated and reference samples were subjected to accelerated thermo-oxidative aging at different temperatures for up to 60 days. The aged samples were compared by thermogravimetric analysis (TGA), ATR-FTIR, indentation modulus profile, hardness, compressive stress relaxation, and compression set (CS). Based on the chemical and mechanical characterization, an interaction mechanism between the plasma and the rubber was proposed. The condition with a 30% duty cycle and a gas mixture of 20% \"Ar\" and 80% O2 exhibited the highest level of oxidation and surface stiffness, accompanied by oxygen atom implantation, without a reduction in helium permeability or alterations to the bulk properties of the samples. After aging under this condition, the treated samples displayed higher hardness values on the exposed surface, and the evolution of stiffness across the cross-section occurred more slowly and gradually than in the reference sample. Under the most critical aging condition, the reference sample exhibited a CS of 109.0%, whereas the treated sample registered 94.9%. Service life prediction using the time-temperature superposition (TTS) methodology, adopting 79.9% CS as the failure threshold, indicated longer lifetimes for the treated sample at lower temperatures due to its lower activation energy. With an 8.6% increase in predicted service life at 40 °C, the treated sample showed a more uniform and less aggressive aging behavior, highlighting the potential of plasma treatment in mitigating the thermo-oxidative degradation of NBR. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2026.

Synthesis and assessment of TiO2-based photocatalysts doped with transition metals and supported on macroporous SiC structures

2026-01-01T00:00:00Z

Synthesis and assessment of TiO2-based photocatalysts doped with transition metals and supported on macroporous SiC structures Escobar, José Manuel Gómez O crescente aumento da demanda por fontes de energia limpas e sustentáveis tem intensificado as pesquisas voltadas para rotas alternativas de produção de hidrogênio a partir de recursos renováveis. Nesse contexto, a fotocatálise semicondutora tem emergido como uma abordagem promissora; entretanto, a eficiência do dióxido de titânio (TiO2) sob luz visível ainda é limitada devido ao seu amplo band gap e à rápida recombinação dos portadores de carga fotogerados. Neste trabalho, fotocatalisadores à base de TiO2 modificados com metais de transição (Ni, Fe, Cu, Mo e Pd) e imobilizados em estruturas cerâmicas macroporosas de carbeto de silício (SiC) foram sintetizados, caracterizados e avaliados para a produção fotocatalítica de hidrogênio sob irradiação de luz visível utilizando glicerol como agente sacrificial. Os catalisadores foram sintetizados por um método assistido por ultrassom com carga metálica fixa de 2 % em massa e posteriormente depositados sobre suportes porosos de SiC preparados pela técnica da réplica polimérica. A caracterização estrutural por difração de raios X confirmou a predominância da fase anatase em todas as amostras, com tamanhos de cristalito variando entre 18 e 27 nm e ausência de fases secundárias detectáveis. As análises de SEM/EDS revelaram dispersão homogênea dos metais e cobertura uniforme do catalisador sobre os suportes cerâmicos. A análise textural (BET) indicou estruturas mesoporosas com áreas superficiais entre 45 e 92 m²·g?¹, enquanto as medições de potencial zeta demonstraram maior estabilidade coloidal para o sistema modificado com Ni. Os testes fotocatalíticos revelaram forte dependência da produção de hidrogênio em relação à natureza das espécies metálicas incorporadas. Após 60 minutos de irradiação, o sistema TiO2/SiC modificado com Ni apresentou o maior rendimento de hidrogênio (150 µmol·gcat?¹), correspondendo a um aumento aproximado de 30?40 % em comparação ao TiO2 não modificado. Em contraste, os sistemas modificados com Pd, Mo, Fe e Cu produziram aproximadamente 112, 106, 100 e 59 µmol·gcat?¹, respectivamente. O desempenho superior do Ni foi atribuído à melhoria na separação de cargas e à redução da recombinação elétron-lacuna, enquanto o Cu favoreceu efeitos de recombinação, limitando a atividade fotocatalítica. Os resultados demonstram que a modificação com metais de transição combinada ao uso de suportes cerâmicos estruturados constitui uma estratégia eficiente para aumentar a produção de hidrogênio sob luz visível. Entre os sistemas investigados, o TiO2 modificado com Ni suportado em SiC poroso destacou-se como um material fotocatalítico promissor e potencialmente escalável para aplicações em produção sustentável de hidrogênio.; Abstract: The growing demand for clean and sustainable energy has intensified research into alternative hydrogen production routes based on renewable resources. Semiconductor photocatalysis has emerged as a promising approach; however, the efficiency of titanium dioxide (TiO2) under visible light remains limited by its wide band gap and the rapid recombination of photogenerated charge carriers. In this work, TiO2-based photocatalysts modified with transition metals (Ni, Fe, Cu, Mo, and Pd) and immobilized on macroporous silicon carbide (SiC) ceramic structures were synthesized, characterized, and evaluated for photocatalytic hydrogen production under visible-light irradiation using glycerol as a sacrificial agent. The catalysts were synthesized via an ultrasound-assisted method with a fixed metal loading of 2 wt.% and subsequently deposited onto porous SiC supports prepared by the polymeric sponge replica technique. Structural characterization by X-ray diffraction confirmed the predominance of the anatase phase in all samples, with crystallite sizes ranging from 18 to 27 nm and no detectable secondary phases. SEM/EDS analyses revealed homogeneous metal dispersion and uniform catalyst coverage over the ceramic supports. Textural analysis (BET) indicated mesoporous structures with surface areas between 45 and 92 m²·g?¹, while zeta potential measurements demonstrated enhanced colloidal stability for the Ni modified system. Photocatalytic tests revealed a strong dependence of hydrogen production on the nature of the metal species. After 60 minutes of irradiation, the Ni-modified TiO2/SiC system achieved the highest hydrogen yield (150 µmol·gcat?¹), corresponding to an enhancement of approximately 30?40% compared to unmodified TiO2. In contrast, Pd, Mo, Fe, and Cu-modified systems produced approximately 112, 106, 100, and 59 µmol·gcat?¹, respectively. The superior performance of Ni is attributed to improved charge separation and reduced electron?hole recombination, whereas Cu promoted recombination effects, limiting photocatalytic activity. These results demonstrate that transition-metal modification combined with structured ceramic supports is an effective strategy to enhance visible-light-driven hydrogen production. Among the investigated systems, Ni-modified TiO2 supported on porous SiC emerges as a promising and scalable photocatalytic material. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2026.

Síntese de nanopartículas de CsSnCl3: estabilidade e reversibilidade da estrutura perovskita cúbica

2026-01-01T00:00:00Z

Síntese de nanopartículas de CsSnCl3: estabilidade e reversibilidade da estrutura perovskita cúbica Bassoli, William Renan Basso O modelo atual de desenvolvimento socioeconômico sustentável está diretamente relacionado com a gestão do crescimento econômico que promova a evolução tecnológica, a proteção do meio ambiente e a garantia da segurança energética para as gerações presente e futuras. Neste contexto, as tecnologias de baixo impacto ambiental surgem com o propósito de mitigar os danos ao meio ambiente, mediante a redução do consumo de matérias-primas e de energia. Tecnologias baseadas no efeito termoelétrico, baterias de alta performance, dispositivos fotovoltaicos, entre outros, despertam grande interesse no estudo de materiais na área da Física da Matéria Condensada. O desenvolvimento de materiais funcionais com propriedades físicas otimizadas possui grande interesse tecnológico, observando premissas como o aumento da eficiência e estabilidade. A categoria de materiais com estrutura cristalina do tipo perovskita (Prv) apresenta grande potencial em aplicações tecnológicas, tais como baterias de estado sólido, células solares, LEDs, e na geração de piezoeletricidade. O composto CsSnCl3 apresenta polimorfismo estrutural, sendo a fase perovskita cúbica (Prv-c) a estrutura cristalina de interesse tecnológico, associada a valores de gap eletrônico entre 0,96 e 3,00 eV. Pertencente à classe das perovskitas de haletos, a fase Prv-c possui previsão teórica de formação em temperaturas em torno de 105 °C (378 K), sendo metaestável em temperatura ambiente. Neste contexto, o objetivo deste projeto é a síntese de nanopartículas de CsSnCl3 com estrutura Prv-c estável em condições ambientes de temperatura e umidade, via rota de estado sólido adaptável à indústria. Os primeiros resultados mostraram que as partículas são formadas pela coexistência das fases Prv-c e monoclínica num arranjo tipo core-shell (núcleo-casca). Duas rotas de síntese foram investigadas, nomeadas de S1 e S2, que se diferenciam pela atmosfera de reação. A rota S1, conduzida em atmosfera ambiente, contrasta com a S2, realizada em condições não reagentes (inerte). Resultados de difração de raios X (DRX) das amostras obtidas pela S1 exibiram um material nanométrico (esferas com diâmetro < 30 nm numa estrutura típica core-shell), na estequiometria CsSnCl3, com coexistência das fases Prv-c e monoclínica (35,8 wt.% e 64,2 wt.%, respectivamente) e com estabilidade da fase Prv-c superior a 1 mês, sem controle da atmosfera no armazenamento. A amostra obtida pela S2 apresentou 92,7 wt.% de fase Prv-c, com a mesma cristalinidade da S1, e com característica morfológica tipo cuboide. Além de analisar a influência da atmosfera da síntese na estabilidade estrutural do material, o estudo abordou a hipótese da reversibilidade da fase monoclínica em Prv-c nas propriedades físicas do material obtido da rota S1.; Abstract: The current model of sustainable socioeconomic development is directly related to the management of economic growth that promotes technological evolution, the protection of the environment and the guarantee of energy security for present and future generations. In this context, low environmental impact technologies emerge with the purpose of mitigating damage to the environment, by reducing the consumption of raw materials and energy. Technologies based on the thermoelectric effect, high-performance batteries, photovoltaic devices, among others, arouse great interest in the study of materials in the area of ??Condensed Matter Physics. The development of functional materials with optimized physical properties is of great technological interest, observing premises such as increasing efficiency and stability. The category of materials with a perovskite (Prv) crystalline structure presents great potential in technological applications, such as solid-state batteries, solar cells, LEDs, and in the generation of piezoelectricity. The CsSnCl3 compound presents structural polymorphism, with the cubic perovskite phase (Prv- c) the crystalline structure of technological interest, associated with electronic band gap values ??between 0.96 and 3.00 eV. Belonging to the class of halide perovskites, the Prv-c phase is theoretically predicted to form at temperatures around 105 °C (378 K), being metastable at room temperature. In this context, The objective of this project is the synthesis of CsSnCl3 nanoparticles with Prv-c structure stable under ambient temperature and humidity conditions, via a solid state route adaptable to industry. The first results showed that the Particles are formed by the coexistence of Prv-c and monoclinic phases in a core-shell arrangement. Two synthesis routes were investigated, named S1 and S2, which differ by the reaction atmosphere. Route S1, conducted in an ambient atmosphere, contrasts with S2, carried out under non-reactive (inert) conditions. X-ray diffraction (XRD) results of the samples obtained by S1 showed a nanometric material (spheres with diameter < 30 nm in a typical core-shell structure), in CsSnCl3 stoichiometry, with coexistence of Prv-c and monoclinic phases (35.8 wt.% and 64.2 wt.%, respectively) and with stability of the Prv-c phase greater than 1 month, no control of the atmosphere in storage. The sample obtained by S2 presented 92.7 wt.% Prv-c phase, with the same crystallinity as S1, and with a cuboidal morphological characteristic. In addition to analyzing the influence of the synthesis atmosphere on the structural stability of the material, the study addressed the hypothesis of reversibility of the monoclinic phase in Prv-c on the physical properties of the material obtained from route S1. Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2026.