Ciência & Tecnologia dos Materiais

A Ciência e Tecnologia dos Materiais em Portugal

Materiais 2007 num copo de vinho do Porto

Este artigo apresenta as principais etapas de desenvolvimento de um novo produto que foi oferecido aos palestrantes da conferência "Materiais 2007". Foi criado um copo de vinho do Porto com o pé em liga de estanho. Considerando que se tratava de uma conferência sobre materiais, foram também produzidos 30 copos com pés em diversos tipos de materiais, com o intuito de realçar a importância dos materiais na criação de novos produtos.

This paper presents the main steps for a new product development that was offered to the participants of "Materiais 2007" conference. A Port wine glass with a stand in pewter was created. Considering the materials scope of the conference, 30 other glasses with different materials stands were also manufactured to enhance the materials importance in new products development.

Development of a new generation of filament of wound composite pressure cylinders

A new generation of composite pressure vessels for large scale market applications has been studied in this work. The vessels consist on a thermoplastic liner wrapped with a filament winding glass fibre reinforced polymer matrix structure. A high density polyethylene (HDPE) was selected as liner and a thermosetting resin was used as matrices in the glass reinforced filament wound laminate. The Abaqus 6.5.1 FEM package were used to predict the mechanical behaviour of pressure vessels with capacity of approximately of 0,068 m³ (68 l) for a 0.6 MPa (6 bar) pressure service condition according to the requirements of the prEN 13923 standard, namely, the minimum internal burst pressure. The Tsai-Wu and Von Mises criteria were used to predict composite laminate and thermoplastic liner failures, respectively, considering the elasto-plastic behaviour of the HDPE liner and the laminae properties deducted from micromechanical models for composite laminates. Finally, prototype pressure vessels were produced in the defined conditions to be submitted to pressure tests. The comparison between the FEM simulations and experimental results are discussed in the present paper.

Monitorização da degradação térmica do papel isolante usado em transformadores: Papel "Thermally Upgraded" Versus Papel Kraft

Furfuraldheide (2FAL) concentration in oil, analysed by High Performance Liquid Chromatography (HPLC), has been successfully used, even with some limitations, as a diagnostic tool for the insulating Kraft paper thermal degradation monitoring, in transformers. This is not only because 2FAL is the furanic compound produced in major quantity, by Kraft paper degradation, but also because 2FAL has a good solubility and thermal stability in oil. However, 2FAL is not a so good indicator of Thermally upgraded insulating paper degradation, as it is, for Kraft paper degradation. This information is quite important, as the use of this type of paper in transformers is lately spreading out, more and more, mainly in the field of ultra high voltage transformers. The degradation phenomena of Thermally upgraded paper "Insuldur" are presented here, in order to explain, why 2FAL concentration in oil acts as a lower sensivity indicator, of Thermally upgraded paper degradation, than of Kraft paper degradation. The results of an experimental comparative study of thermal degradation, of these two types of paper, are also discussed here. It is quite probable that another furanic compound, like the furfurilic alchool (2FOL) can be used as a better indicator for the Thermally upgraded paper degradation. However, more research must be done, in order to confirm this hypothesis.

A concentração de furfuraldeído (2FAL) dissolvido no óleo, analisada por Cromatografia Líquida de Alta Pressão e Alta Resolução (HPLC), embora com algumas limitações, tem sido usada com sucesso, no diagnóstico do estado de degradação do papel isolante Kraft, dos transformadores e sua monitorização, ao longo do tempo. No entanto, o 2FAL dissolvido no óleo apresenta uma menor sensibilidade para a detecção da degradação do papel "Thermally upgraded," em relação à do papel Kraft. O conhecimento deste facto reveste-se de grande importância, uma vez que a utilização de papel "Thermally upgraded", começa actualmente a crescer, sobretudo em transformadores de muito alta tensão, que funcionam normalmente a temperaturas mais elevadas. São aqui apresentados os fenómenos de degradação do papel "Thermally upgraded", os quais permitem compreender as razões, pelas quais a concentração de 2FAL dissolvido no óleo, não parece ser um indicador tão adequado para a determinação do estado de envelhecimento deste tipo de papel, como o é para o papel Kraft, principalmente no que concerne à detecção dos estádios iniciais de degradação do papel, apresentando-se simultaneamente os resultados de um estudo experimental comparativo do envelhecimento térmico destes dois tipos de papel. É muito provável que, em vez do 2FAL, outro dos produtos produzidos por degradação do papel, por exemplo o álcool furfurílico, (2FOL), possa ser utilizado como indicador alternativo do nível de degradação do papel "Thermally upgraded". Contudo, mais estudos são necessários, para confirmar esta hipótese.

Análise digital de dano na furação de materiais compósitos laminados

Fibre reinforced composites are widely recognized for their superior mechanical properties and advantages for applications in aerospace, defense and transportation sectors. In spite of the fact that, in general, composites are produced to near-net-shape, additional machining operations such as drilling are often required. Nevertheless, the cutting tool action during machining may damage the work material surfaces. Delamination is the principal damage observed after drilling composite materials. The delamination factor has been used by several investigators to characterize the level damage the drill entrance and exit side of the machined composite material. More frequently, this factor is determined as the ratio of the maximum diameter in the damage zone to the nominal diameter. The aim of this work is to propose a methodology based on digital analysis of the damage in order to assess delamination.

Compósitos reforçados com fibras apresentam diversas propriedades que permitem sua utilização em aplicações estruturais, particularmente nas indústrias automotiva e aeroespacial, entre outras. Embora sejam fabricados com dimensões e forma próximas das finais, operações como as de furação são freqüentemente necessárias com o objetivo de criar pontos de fixação. Estas operações de usinagem provocam danos tanto na entrada como na saída do furo, sendo a delaminação o mais característico destes danos. Diversos autores têm utilizado o fator de delaminação como parâmetro para caraterização do nível de dano induzido na furação de compósitos, no entanto, na maioria dos casos este fator considera a relação entre o diâmetro máximo do dano e o diâmetro nominal do furo. Este trabalho apresenta uma metodologia da análise de imagens digitais para determinação do fator de delaminação e propõe um novo parâmetro que permita uma melhor caracterização do dano ocorrido.

Furfuraldeído: Um indicador prático da degradação térmica do papel Kraft de transformadores

The transformer life expectancy, in terms of aging, is related to the condition of the solid insulation, as this is the major component of a transformer, that once degraded cannot be replaced without dismantling the entire transformer. This is the reason why it is very important to know the degradation of insulating paper, which can be measured by its average viscosimetric degree of polymerization (DP). To analyse paper, we need to take paper samples, from the transformer, but this is not possible without dismantling it. As thermal degradation of paper do generate furanic compounds and the concentration of these products, namely the furfuraldehyde (2FAL) in oil, can be easily measured by HPLC (High Performance Liquid Chromatography), this is the best alternative method, used nowadays to determine the aging of Kraft paper. The mechanisms of cellulose degradation to produce 2FAL, the kinetics of this degradation and also the phenomena which affect the quantity of 2FAL dissolved in oil, and the factors that influence these phenomena, are the main issues addressed here.

A vida expectável de um transformador, em termos de envelhecimento, depende do nível de degradação do isolamento sólido, que é o principal componente do transformador que, sendo sujeito a degradação, não pode ser substituído, sem desmantelar por completo o equipamento. Por esta razão, con-sidera-se que a vida útil do transformador é a vida do respectivo isolamento sólido. A degradação do papel (principal componente do isolamento sólido) pode ser medida, de forma directa, pelo grau de polimerização viscosimétrico médio do papel (DP). Uma vez que, para recolher amostras de papel é necessário decuvar e desmontar o transformador e visto que os compostos furânicos são produzidos por degradação do papel e a sua análise no óleo pode ser fácilmente efectuada, sem perturbar o funcionamento do transformador, a determinação, por Cromatografia Líquida de Alta Pressão e Alta Resolução (HPLC), da concentração de produtos furânicos no óleo, designadamente de furfuraldeído (2FAL), é actualmente o melhor método indirecto existente, para determinar o grau de envelhecimento do papel. Os mecanismos de produção de furfuraldeído, por degradação da celulose, e a cinética desta degradação, assim como os fenómenos de que depende a quantidade de 2FAL que permanece no óleo e ainda os factores que influenciam tais fenómenos, são os principais assuntos aqui abordados.

Les élastomères Cristaux Liquides

Liquid Crystal Elastomers (LCE) are weakly reticulated networks, presenting a non-classical elastic behavior. The possibility of coupling between the liquid crystal order and the network organization allows spontaneous elongations. These materials present memory effect, and can be used to prepare artificial muscles, case in which they have shown to present perfectly reversible elongation-contraction cycles, with good endurance. Activation may take place by temperature change, irradiation or submission to a magnetic field. Increasing interest is being deposited on these materials, for their simplicity (very useful in nanotechnologies, because it is easy to miniaturize), lightweight and no need for lubrication.

Os Elastómeros Cristais Líquidos (LCE) são redes poliméricas fracamente reticuladas, que apresentam um comportamento elástico não clássico. De facto, a possibilidade de acoplar a ordem própria dos cristais líquidos com a organização da rede polimérica permite extensões espontâneas. Estes materiais apresentam memória de forma, podendo ser utilizados para preparar músculos artificiais, caso no qual apresentam ciclos de contracção-extensão perfeitamente reversíveis, assim como a necessária robustez. A activação pode dar-se por variação de temperatura, irradiação ou submissão a um campo magnético. Estes materiais têm sido objecto de um crescente interesse, devido à sua simplicidade (muito útil em nanotecnologias, porque é facilmente miniaturizável), leveza e ao facto de não necessitar de lubrificação.

Os aços Maraging

This paper reports a developments and recent researches of Maraging steel . The mechanical proprieties of this class of steel is very interesting for aeronautical applications speciality for toughness and strength resistence. The martensitic transformation allow a high density of dislocations in a CBC structure , and this dislocation, will be a preferred site for precipitation during the aging treatment. The precipitation hardening is responsible about fifty percent of total hardening in this steel grade. For this reason, the real studies are concentrates in the precipitation phenomena. New types of alloys are added to modify the precipitation effect.

Este artigo apresenta informações sobre o desenvolvimento e pesquisas realizadas sobre os aços Maraging. Neste tipo de aço, as propriedades mecânicas são muito interessantes para a aplicação aeronáutica, especialmente nas propriedades de resistência mecânica e tenacidade. Nestes aços , a transformação martensítica produz uma martensita de estrutura cúbica de corpo centrado com elevada densidade de discordâncias. Estas discordâncias atuam como sítios nucleadores para a precipitação de compostos intermetálicos que ocorre durante o envelhecimento. O endurecimento por precipitação nestes aços é responsável por aproximadamente cinqüenta porcento do endurecimento total apresentado por este tipo de aço, e é por este motivo que os eforços.

SITEM - Sistema Integrado de Engenharia e Gestão da Manuntenção de instalações e equipamentos industriais

The aim of this paper is to divulge the final results of the " Projecto Mobilizador SITEM - Sistema Integrado de Engenharia e Gestão da Manutenção de Instalações e Equipamentos Industriais", which was created to develop a set of methodologies and computing tools for supporting management systems and plant improvements. Such methodologies were oriented to improve the performance of the Maintenance Managers, since it was well known that the Portuguese Maintenance Departments had a very small participation from the phases of conception to the implementation of the industrial projects. The "Projecto SITEM" was developed by an industrial consortium formed by ALSTOM PORTUGAL,S.A., CELBI-CELULOSE BEIRA INDUSTRIAL,S.A., EDP-GESTÃO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA,S.A., FEUP-FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO, ISQ- INSTITUTO DE SOLDADURA E QUALIDADE and PORTUCEL-EMPRESA PRODUTORA DE PASTA E PAPEL, S.A.

Esta apresentação tem como objectivo a divulgação dos resultados finais do Projecto Mobilizador SITEM - Sistema Integrado de Engenharia e Gestão da Manutenção de Instalações e Equipamentos Industriais, o qual visava desenvolver um conjunto de metodologias e ferramentas informáticas de apoio à decisão, tendo em vista a melhoria do desempenho dos Gestores de Manutenção em face da constatação do pouco envolvimento dos Sectores de Manutenção nas fases de concepção e implementação dos projectos industriais. O Projecto SITEM era constituído por um Consórcio, integrando a ALSTOM PORTUGAL, S.A. a CELBI - CELULOSE BEIRA INDUSTRIAL, S.A., a EDP - GESTÃO DE PRODUÇÃO DE ENERGIA, S.A., a FEUP - FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO, o ISQ - INSTITUTO DE SOLDADURA E QUALIDADE e a PORTUCEL - EMPRESA PRODUTORA DE PASTA E PAPEL, S.A.

Lead-Acid battery storage

Lead-acid batteries are a prime form of chemical storage that we regard as holding most promise for large-scale energy storage applications. This paper includes a few pertinent comments on these rechargeable systems in their present stages of research and development.

As baterias de chumbo-ácido são uma das melhores formas de armazenamento químico e que encaramos como uma das mais promissoras para aplicações de armazenamento de energia em larga escala. O presente artigo inclui alguns comentários pertinentes sobre estes sistemas recarregáveis, na sua actual fase de investigação e desenvolvimento.

Crescimento de cristais por nucleação heterogénea: "On the Rocks" revisited

Crystals are of an increasing importance in our Society. In the beginning of the XXI century, Crystal Engineering started to develop, emerging from the main area of Crystallography. In spite of the dominating Bio- and Bio-logical trends in modern Technology, we cannot ignore our life on Earth (and other planets?) surrounded by natural crystals, in the composition of rocks, minerals, metals, and as the basic units of solids, a lot of them being inorganic. Therefore we must understand them, improving our knowledge on them. We cant afford to neglect the classical Sciences like Inorganic and Analytical Chemistry related to their studies: they seem as if they became out of fashion (at least in our country!), but we cannot deny their importance for understanding Mineralogy, Geology, Materials Sciences, Environmental studies, Bioinorganic Sciences (the role of metals in our bodies as active centres of enzymes) etc.. If we neglect and dismember Chemistry, the future generations will very fast loose the skills to understand our surroundings and furthermore, their own bodies! On the Rocks is a research project for inorganic chemical education, consisting on crystal growth on rough surfaces, (rocks, minerals, shells, metallic wires, etc.)[1-10].These substrates, acting as "hosts", are introduced in supersaturated solutions of chemicals, promoting a faster nucleation and strongly stimulating crystal growth. Only substances that can afford large single crystals easily are chosen. Mainly ionic salts fairly soluble in water have been studied, a few of them here described. The technique requires inexpensive glassware and is feasible in schools poorly equipped, under close surveillance and strict safety rules. The large single crystals embedded on the host rocks look like "minerals" (synthetic!), and their beauty is a powerful tool to attract students for Chemistry and other Sciences sharing a common interest on crystals. Many concepts can be introduced during and after the preparation of the samples, especially those regarding group chemistry, and no background on crystal growth is required. The diversity of compounds and hosts one might choose, plus the reactions and interactions that might occur between them turns the method very interesting and creative. This research project started in 1993 and two years later a large network started as a co-operative project between our University Research Centre, Industry, and many Portuguese schools with very interesting results.

O crescimento de cristais "On the Rocks" utiliza suportes rugosos para estimular a nucleação, a protecção dos núcleos cristalinos e o seu acesso aos nutrientes, levando à formação de grandes cristais [1-10]. Rochas, minerais e conchas são mergulhados em soluções sobressaturadas de substâncias solúveis em água, seleccionadas entre aquelas que cristalizam com relativa facilidade. A beleza dos cristais produzidos, quer na forma de grandes monocristais, maclas, agregados ou whiskers, incentiva os alunos a aprofundar os seus estudos, não só em relação aos factores intervenientes no crescimento, mas também nas áreas científicas que partilham o interesse por este tema, seja ele por aspectos ligados à purificação, produção, caracterização, ou ao estudo de propriedades apetecíveis para aplicações tecnológicas. Nesta publicação resume-se o método experimental nas suas principais componentes: o que usar como suporte; quais as substâncias que cristalizam com facilidade e qual o interesse do seu estudo; qual a técnica apropriada em cada caso; que reacções ou outros efeitos se estabelecem entre as substâncias e os suportes. Finalmente, ao fazer um levantamento do que tem sido feito, interessa-nos salientar as suas potencialidades no campo do empreendorismo. Como complemento do trabalho experimental sugere-se a exploração de conceitos da química descritiva dos elementos, especialmente a dos metais, o que a torna muito menos árida e susceptível de memorização, pois os alunos ao começarem as suas colecções de substâncias cristalinas, têm tendência a catalogar as suas propriedades físicas e químicas, as suas fórmulas e estruturas. Curiosamente, o método foi testado pela primeira vez em 1993, numa aula de Laboratório de Química Geral de Engenharia de Materiais. Por razões históricas e não só, achamos curial a sua publicação na área de Materiais.