Ciência & Tecnologia dos Materiais

Produção de Biobaterias a partir de Membranas obtidas pela Técnica de Electrofiação

O presente trabalho visa a produção de biobaterias a partir de membranas obtidas pela técnica de electrofiação. Com este trabalho pretendeu-se desenvolver um dispositivo electroquímico (biobateria) capaz de gerar energia eléctrica a partir de biofluidos, como a transpiração e o sangue, e com capacidade de satisfazer as necessidades de dispositivos electrónicos de baixo consumo. Para o desenvolvimento das biobaterias, começou-se por produzir as membranas de acetato de celulose por electrofiação. Estas membranas são utilizadas como suporte físico (substrato) e separador, sendo os eléctrodos depositados sob a forma de filme fino, em ambas as faces da membrana, formando o dispositivo electroquímico. O comportamento electroquímico da membrana foi analisado por voltametria cíclica, pretendendo-se averiguar a existência de possíveis reacções electroquímicas. De um modo geral, verificou-se que a produção de energia depende não só dos materiais que formam o ânodo e o cátodo, como também da espessura da membrana. Com o intuito de demonstrar as potencialidades, para a aplicação em causa, estes dispositivos foram testados sobre a pele suada, apresentado valores de tensão e corrente bastante promissores.

This research work envisages the production of bio-batteries based on electrospun membranes.The present work aims at the development of an electrochemical device (bio-battery) able to generate electrical power from body fluids, like sweat or blood, to supply small power consumption electronic devices.To the development of these bio-batteries, cellulose acetate membranes were made with a matrix of nanofibers produced by electrospinning. The cellulose acetate membrane works both as support and as a separator. Thin films were deposited on both surfaces of the membrane to form the electrodes of the electrochemical device.The electrochemical behavior of membranes was analysed by cyclic voltammetry in order to evaluate the electrochemical reactions. The power generated by these devices depends not only on the materials used as electrodes, but also on the membrane thickness. In order to demonstrate the great potential of these electrochemical devices, bio-batteries prototypes were tested in sweated skin, demonstrating promising voltage and current values.

Baterias de Filme Fino de Papel

Este artigo reporta o trabalho de produção e caracterização de baterias de filme fino de papel, no qual o papel desempenha as funções de suporte físico e de electrólito do dispositivo. Estudaram-se maioritariamente baterias de papel vegetal, normal e reciclado. Extremamente flexíveis, os dispositivos operam no estado sólido, são concebidos recorrendo a técnicas de deposição de filmes finos e regeneram as suas características eléctricas sem necessidade de aplicação de uma potência externa. A estrutura de referência Cobre/Papel/Alumínio apresenta uma tensão de circuito aberto (Voc) de 0,5V a 0,6V. O estudo, baseado nesta estrutura, recaiu sobre quatro abordagens principais: i- Influência da espessura dos eléctrodos; ii- Introdução de uma camada de LiAlF4; iii- Efeito da impregnação do papel com soluções salinas; iv - Diferentes pares de eléctrodos. Analisaram-se os efeitos do vácuo, de uma atmosfera rica em O2, N2 e CO2, e os efeitos da humidade relativa e da temperatura do meio no desempenho eléctrico das baterias de papel. Uma variação entre 40 e 90% na humidade relativa do meio causa uma variação de três ordens de grandeza na corrente do dispositivo. O demonstrador da tecnologia consistiu na actuação do canal de um transístor de papel. Uma associação em série (com 3V) da estrutura de referência comutou eficientemente os estados ON e OFF, confirmando-se a aplicabilidade das baterias em circuitos electrónicos (de papel).

This article summarizes the production and characterization of thin film paper batteries, in which the paper plays the role of the solid electrolyte and of the physical support of the devices. These batteries present great flexibility and are produced by means of thin film deposition techniques. These are all-solid-state batteries and they are able to regenerate the electric characteristics without external power supply. Batteries with different substrates were analysed, namely tracing-paper, usual copy paper and recycled paper. The Copper / Aluminum structure shows an open circuit voltage (Voc) of 0.5 to 0.6V. This was taken as the reference structure and the work performed had four main topics: i- Influence of the thickness of the electrodes; ii-Influence of an extra LiAlF4 layer; iii-Effect of paper impregnations with salt solutions; iv-Different types of electrodes. Analysis of the effects of vacuum, O2, N2, CO2, temperature and relative humidity on the electrical performances of the paper batteries were made. The later causes a variation of three orders of magnitude in current, when relative humidity changes from 40 to 90%. The technology was demonstrated by using a prototype battery comprising an association in series (3V) of the reference structure for actuating a paper transistor. The prototype efficiently controlled the ON and OFF states of the transistor. Therefore it was demonstrated the proof of concept that paper batteries can be used in electronic circuits, namely in paper circuits.

Filmes Finos & Revelação de Impressões Digitais Latentes

Esta dissertação tem como objectivo revelar impressões digitais latentes, que assegurem e não comprometam a qualidade necessária para posterior identificação dos indivíduos através da correspondência de pontos característicos. A técnica utilizada para a revelação de impressões digitais é a pulverização catódica magnetrão. Para tal, os parâmetros de deposição são optimizados de modo a que esta ocorra preferencialmente nas cristas das impressões digitais. Neste estudo foram produzidos filmes finos de cobre e ouro utilizando substratos de aço inoxidável. Uma vez definidas as condições óptimas de deposição, foi estudada a influência de alguns factores - idade das impressões digitais, dador e teor sebáceo. A qualidade da revelação das impressões digitais foi avaliada visualmente e recorrendo à microscopia óptica e electrónica de varrimento. A morfologia dos filmes finos de cobre e ouro foi observada por microscopia electrónica de varrimento de alta resolução. Utilizando substratos de silício, foi efectuada uma análise topográfica por perfilometria tridimensional. A deposição preferencial por pulverização catódica magnetrão de filmes finos de cobre e ouro, com espessuras entre 20 e 30 nm, permite revelar impressões digitais latentes. Os filmes de ouro são mais promissores, sobretudo na revelação de impressões digitais não frescas e na conservação das impressões reveladas pois, ao contrário do cobre, não oxidam com o tempo. De facto, foi possível detectar os contornos das cristas dermopapilares e pontos característicos numa impressão com um mês de idade revelada através da deposição de ouro. Estes filmes possuem uma superfície descontínua e secção transversal colunar, enquanto que os filmes finos de cobre apresentam uma morfologia mais compacta.

The aim of the present work is to develop latent fingerprints, in order to guarantee the quality required for a positive identification through the correspondence of characteristic points. The technique used for the development of fingerprints is magnetron sputtering. To promote the preferential deposition onto fingerprints ridges, the deposition parameters should be optimised. In this study, copper and gold thin films were produced using stainless steel substrates. After optimising the deposition parameters, the influence of the fingerprints age and donor were studied. The quality of the developed fingermarks was evaluated visually and through optical and scanning electronic microscopy observations. The morphology of the copper and gold thin films was examined by high resolution scanning electron microscopy. Using silicon substrates, a topographic analysis was carried out by tridimensional profilometry. The preferential magnetron sputtering deposition of copper and gold thin films, 20-30 nm thick, allows latent fingerprints to be developed. The gold films are more promising, especially for detecting non-fresh fingerprints and for conserving the developed prints since, unlikely copper, they do not oxidise with time. In fact, it was possible to detect the contours of the ridges and the characteristic points in a one-month aged impression developed by gold deposition. These films present discontinuous surface and columnar cross-section morphology, while copper thin films have a more compact morphology.

Cold Spray Deposition of Titanium onto Aluminium Alloys

The aluminium alloy 7075-T6 is widely used in aeronautic engineering due to its high mechanical resistance to weight ratio. Depending upon the environmental conditions, many types of corrosion mechanisms have been found to occur in aircraft structural aluminium alloys. A possible solution to improve the alloys behaviour is the deposition of a pure Titanium coating. At present the deposition of Titanium is limited to processes such as Electroplating, Chemical Vapour Deposition and Vacuum Plasma Spray. These traditional approaches are generally slow and expensive, while the common thermal spray processes have two major limitations which are the presence of porosity and oxides in the spray-deposited material. Since Titanium is a metal very sensitive to oxidation, it is proposed in the present work to deposit it onto Aluminium substrates by a novel thermal spray process known as Cold Spray. In this work, the influence of the gas pressure and temperature, and the powder feeding rate on the cold spray process and in the final coating characteristics was studied, and a dense pure titanium coating onto aluminium 7075 substrates, with thickness higher than 300µm and no microstructural changes was easily and fast obtained. It was possible to conclude that after optimization, the cold spray process when compared to the conventional thermal spray techniques, results in coatings with very good properties and cost-time effective (higher coating thickness can be achieved in less time and with less money investment), making it ideal for industrial applications.

A liga de alumínio 7075-T6 é amplamente utilizada na aeronáutica devido à sua elevada relação resistência mecânica/peso. Porém está sujeita a diversas formas de corrosão resultantes dos diferentes ambientes em que se encontra inserida. Uma possível solução para melhorar o comportamento desta liga em situações de corrosão é o seu revestimento com uma camada de titânio puro. Porém, uma vez que o titânio é um metal extremamente sensível à oxidação, a sua deposição no estado puro encontra-se limitada a processos como a Electrodeposição, Chemical Vapour Deposition ou Vacuum Plasma Spray, que são técnicas lentas e dispendiosas. Este trabalho propõe a deposição deste metal num substrato de alumínio 7075 através de uma tecnologia inovadora de deposição a frio conhecida como Cold Spray. A influência de diferentes parâmetros de deposição é estudada (temperatura e pressão do gás de processo, velocidade de alimentação do pó) e foi possível obter um revestimento de titânio puro superior a 300µm, de forma rápida e fácil, sem quaisquer alterações microestruturais. Após optimização dos parâmetros de deposição, o processo de Cold Spray, quando comparado às técnicas de projecção térmica convencional, permite obter revestimentos com boas propriedades mecânicas de forma rápida e económica, tornando-o ideal para aplicações industriais.

Produção de fibras de hidroxiapatite por electrofiação

Neste trabalho desenvolveu-se um novo método de produção fibras de hidroxiapatite (HA), combinando a técnica de electrofiação com um sistema sol-gel de base não-alcóxida, utilizando precursores baratos. Como precursores de fósforo e de cálcio, foram usados o pentóxido de fósforo (P2O5) e o nitrato de cálcio tetrahidratado (Ca(NO3)2.4H2O), respectivamente. As fibras obtidas resultam da electrofiação de uma mistura do gel formado a partir do sistema Ca(NO3)2.4H2O/P2O5 com soluções poliméricas de polivinilpirrolidona (PVP) em água e misturas etanol/água. As fibras obtidas foram analisadas quanto à sua morfologia (Microscopia Electrónica de Varrimento, MEV), composição química (Espectroscopia de Infravermelho de transformada de Fourier, FTIR) e estrutural (Difracção de raios-X, DRX). Obtiveram-se nano e microfibras, maioritariamente constituídas por HA carbonatada do tipo B e com vestígios de óxido de cálcio (CaO) e de β-fosfato tricálcico (β-TCP). Pela análise de MEV verificou-se que uma maior concentração de PVP nas soluções de electrofiação conduz à formação de fibras de forma cilíndrica e que uma maior quantidade de água permite obter fibras de menor diâmetro e com menor dispersão de diâmetros. As fibras de HA produzidas têm potencial para a utilização quer biotecnológica (por ex. membranas de permuta iónica), quer biomédica (por ex. matrizes para crescimento de células ósseas).

This paper reports a new method of producing hydroxyapatite (HA) fibres, combining electrospinning and a non-alcoxide sol-gel system, using cheap precursors. Phosphorus pentoxide (P2O5) and calcium nitrate tetrahydrate (Ca(NO3)2.4H2O) were used as precursors of phosphorus and calcium, respectively. The fibres were electrospun from a mixture of the gel formed from the system Ca(NO3)2.4H2O/P2O5 with polymeric solutions of polyvinylpyrrolidone (PVP) in water and ethanol/water mixtures. The fibres were analyzed for their morphology (Scanning Electron Microscopy, SEM), chemical composition (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR) and structure (X-ray diffraction, XRD). Nano and microfibres were obtained, composed mainly of type B carbonated HA with traces of calcium oxide (CaO) and β-tricalcium phosphate (β-TCP). From SEM analysis it was found that higher concentration of PVP in the electrospinning solutions leads to the formation of cylindrical fibres and that a larger amount of water allows for smaller diameter fibres and narrow diameters distribution. HA fibres produced have potential use either in Biotechnology (eg. Ion-exchange membranes) and Biomedicine (eg. Scaffolds for Tissue Engineeering).

Formação dos aluminetos de níquel a partir de pós metálicos

O carácter exotérmico da reacção de formação de aluminetos de níquel a partir dos constituintes elementares, e a elevada velocidade de libertação de energia que lhe está associada, apresenta um elevado potencial para ser utilizado em vários processos industriais. Neste trabalho foi estudada a reacção de formação do NiAl a partir de pós de Ni e Al, com vista à sua utilização como material de adição na ligação por difusão no estado sólido entre componentes de aluminetos de titânio e níquel. O calor gerado pela reacção será libertado directamente na zona da ligação promovendo a difusão, possibilitando a união a temperaturas inferiores às habitualmente utilizadas. Nesta investigação foram preparados compactos em verde de uma mistura de pós de níquel e alumínio na proporção equimolar e realizaram-se ensaios de calorimetria diferencial de varrimento nesses compactos bem como em pós não compactados. Os produtos resultantes foram caracterizados por microscopia electrónica de varrimento e analisados quimicamente por espectroscopia de dispersão de energia de raio-X. Paralelamente foram feitas análises por difracção de raio-X, apenas sobre os pós não compactados. Os ensaios de calorimetria diferencial de varrimento confirmaram o carácter exotérmico da reacção entre o níquel e o alumínio, não sendo a quantidade de calor libertado uma função explícita da taxa de aquecimento. A intensidade dessa libertação é condicionada pela taxa de aquecimento, aumentando para aquecimentos mais rápidos; este efeito é reforçado pela pressão de compactação dos pós, sendo maior para pressões maiores. Antes da reacção, os pós não compactados permanecem no seu estado metálico mas apresentam zonamento de composição após a reacção, na qual são formados vários intermetálicos, Ni3Al, NiAl e Ni2Al3. Os pós compactados também apresentam um zonamento idêntico, composto pelas mesmas fases. Uma excepção verificou-se para os pós compactados a 637MPa; quando aquecidos a 30ºC/min. até 750ºC apresentam uma composição homogénea de NiAl.

The exothermic behavior of nickel aluminides formation from its elemental constituents and its high energy release rate represents a big potential for use in many industrial processes. In this work it was studied the formation reaction of NiAl from Ni and Al powders, looking for its use as bonding material for solid state diffusion joining of nickel and titanium aluminides. The reactions generated heat is released directly at the bonding zone, promoting the diffusion and making possible the joining at lower temperatures than usual. In this investigation green compacts from a nickel and aluminium were prepared in an equimolar blend; the reactions occurring in the blends were studied by differential scanning calorimetric tests on both, compacted performed calorimetric tests on both, compacted and non compacted powders. Reaction products characterized by scanning electron microscopy and chemically analyzed by energy dispersive X-rar spectroscopy. Non compacted powders ere also characterizes by X-ray diffraction. Differential scanning calorimetric experiments confirmed the exothermic behavior of the reaction between nickel and aluminium, showing that heat release is not an explicit function of heating rate. That releases intensity is conditioned by the heating rate, being higher for faster heating rates; this effect is enhanced by powders compaction pressure, being higher for higher pressures. Before the reaction, non compacted powders remain metallic but, after the reaction several intermetallics are formed, Ni3Al, NiAl e Ni2Al3, resulting in a composition gradient across the particles. Compacted powders also present similar composition gradient. An exception was noticed for powders compacted at 637MPa; when heated at 30ºC/min. up to 750ºC they show a homogeneous composition of NiAl.

Envelhecimento térmico do papel isolante de transformadores. Investigação experimental. Modelos de degradação.

Os processos envolvidos no envelhecimento térmico do papel isolante, usado em transformadores eléctricos, permanecem ainda mal conhecidos, devido ao grande número de variáveis envolvidas e ao difícil controlo dessas variáveis. Com o fim de obter informação adicional, com vista à caracterização desses processos, foi realizada, em laboratório, uma experiência de envelhecimento térmico de papel Kraft, (idêntico ao usado nos transformadores) imerso em óleo mineral isolante originalmente não inibido, contido em ampolas de vidro fechadas mas ao qual foi adicionado, (no Laboratório) inibidor DBPC (Di-ter-butil-para-cresol - inibidor de oxidação) numa concentração de 0,3 % e BTA (Benzotriazole - passivador do cobre) numa concentração de 25 mg/kgóleo. O presente artigo reporta os principais resultados obtidos nesta experiência. A gama de temperaturas estudada, foi de 70 ºC a 180 ºC, sendo a monitorização da degradação térmica do sistema isolante óleo/papel, realizada através da análise dos gases (hidrogénio, hidrocarbonetos, óxidos de carbono e oxigénio) dissolvidos no óleo, da análise do teor de água e dos compostos furânicos dissolvidos no óleo e absorvidos no papel, assim como da determinação do grau de polimerização deste. Com base nos resultados obtidos nesta experiência, foram estabelecidas relações matemáticas, entre a concentração de furfuraldeído no óleo e o grau de polimerização do papel (para transformadores de tipo shell e de tipo core) e comparadas estas, com os vários modelos já desenvolvidos para esta finalidade, por outros investigadores. Finalmente, refere-se a importância destes modelos, para a previsão da vida útil restante do papel isolante, sublinhando contudo as respectivas limitações, na sua aplicação à determinação da vida útil restante de transformadores em serviço.

The processes involved in the thermal ageing of insulating paper used for electrical power transformers, are not very well known, due to the role played by a great number of parameters and their difficult control. To get information for characterization of those processes, accelerated thermal ageing experiments of cellulosic insulating paper, (Kraft paper) immersed in insulating mineral oil inhibited (0,3 % DBPC - Di-tert-butyl-para-cresol - Oxidation inhibitor) and containing 25 mg of BTA /kg oil (Benzotriazol - BTA - Copper passivator) were undertaken in sealed glass ampoules, heated in an oven, at temperatures in the range 70 ºC - 180 ºC. The monitoring of paper degradation was done by the analysis of some gases dissolved in oil such as: hydrogen, hydrocarbons, oxygen, carbon monoxide and carbon dioxide and liquids like: water and furanic compounds and also by the determination of the degree of polymerization of the paper samples, (DP), besides the analysis of furanic compounds absorbed in the paper. New mathematical relationships of furfuraldehyde concentration in oil, versus the corresponding DP of paper, were established in the above mentioned experiments calculated for oil/paper ratios of core and shell transformers and afterwards compared to degradation models, developed by other researchers. Finally, the importance and advantages of these degradation models used for assessment of the useful remaining life of insulating paper of transformers, and the limitations of its application to the assessment of the useful remaining life of transformers are also highlighted here.

Avaliação da fotodegradação de ABS exposto a condições naturais

Amostras de acrilonitrilo-butadieno-estireno (ABS) foram submetidas a envelhecimento sob condições naturais, durante 4 meses em Lisboa, para avaliar a sua estabilidade à radiação ultravioleta (UV). A degradação que ocorre à superfície das amostras foi analisada por Espectroscopia de Infravermelhos com um Acessório de Reflexão Total Atenuada (FTIR-ATR) e determinou-se o decréscimo do componente butadiénico como indicador do grau de degradação. Correlacionaram-se as alterações químicas na superfície com a perda de propriedades mecânicas. A degradação ao longo da espessura foi estudada por espectroscopia de IR acoplada com microscópio. Verificou-se que para o tempo de exposição em causa, o decréscimo acentuado do butadieno ocorreu apenas à superfície, indicando que o decréscimo da capacidade de alongamento do ABS durante o processo de degradação é também devido à formação e propagação de fissuras para o interior das amostras.

Natural weathering of acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) was performed in Lisbon during 4 months in order to evaluate its stability to UV radiation. Surface characterization of photodegraded ABS samples was investigated by infrared spectroscopy with attenuated total reflectance accessory (FTIR-ATR) and the decrease of polybutadiene (PB) component was used as an indicator of the degradation degree. A correlation between chemical modifications on surface and mechanical properties loss was made. Infrared spectroscopy coupled to microscope was used to study degradation along sample thickness. It was noticed that for this sample a drastic decrease of PB occurred only at the surface, which indicate that the decrease of elongation capability of ABS during degradation process is also due to the cracks formation and its propagation along the thickness.

Notice on a prototype of a new test chamber for rubber infill evaluation

A test chamber was projected and built (according to ISO 16000-9 Standard) to simulate atmospheric conditions experienced by rubber infill (when applied in synthetic turf pitches) and measure accurately the different leachates as well as emission parameters. This procedure is to be considered as a technical option to the lysimeter global turf system evaluation when the rubber infill alone is to be evaluated. The advantage of the proposed option considering this Test Chamber is its simplicity and economy. This test chamber is actually installed and being used for tests in LAIST.

Neste artigo descreve-se uma câmara de ensaio que foi projectada e construída, de acordo com os requisitos da norma ISO 16000-9, para simular as condições atmosféricas a que são sujeitos os granulados de borracha, quando aplicados em campos de relva artificial. Este procedimento deve ser considerado como uma opção técnica ao método do lisímetro que é empregue na avaliação global das características da relva artificial, quando se pretende efectuar, apenas, a avaliação do granulado de borracha. As principais vantagens da câmara aqui descrita são a simplicidade de uso e consequente economia. Esta câmara de ensaio está actualmente instalada e em funcionamento no LAIST.

Influência da Composição Química do Metal de Adição nas Propriedades Mecânicas e na Susceptibilidade à Corrosão sob Tensão de Juntas Soldadas do Aço Inoxidável Ferrítico AISI 444

O objetivo deste trabalho foi investigar a influência do metal de adição sobre as propriedades mecânicas e sobre a susceptibilidade à fissuração por corrosão sob tensão (CST) de juntas soldadas do aço inoxidável ferrítico AISI 444 em solução de MgCl2 .Dois tipos de metal de adição de aço inoxidável austenítico (E309L e E316L) foram usados, com o intuito de se produzir juntas soldadas com zonas fundidas de diferentes composições químicas. Para avaliar a susceptibilidade das juntas à CST foram realizados testes sob carga constante seguido da caracterização microestrutural dos corpos de prova testados. Os resultados de tração e dureza mostraram que a junta soldada com o metal de adição E309L apresentou limite de resistência à fratura superior ao encontrado na junta soldada com o metal de adição E316L. Testes de CST mostraram que a interface entre o metal de solda e a zona termicamente afetada (ZTA) foi a região mais susceptível à fissuração. Os resultados mostraram também que a junta do aço 444 soldada com o eletrodo E309L apresentou melhor resistência à CST. Isto pode ser atribuído a presença de uma rede de ferrite delta descontínua presente no metal de solda, a qual atuou como uma barreira à propagação de fissuras da zona fundida para a zona de ligação e ZTA do aço 444.

The aim of this study was to investigate the influence of the filler metal chemical composition on the mechanical properties and on the susceptibility to stress corrosion cracking (SSC) of ferritic stainless steel AISI 444 weldments in MgCl2. Two types of filler metal of austenitic stainless steel (E316L and E309L) were used. To evaluate the SCC susceptibility of weldments, constant load tests and metallographic examinations in tested SSC specimens were conducted. The tensile and hardness tests showed that the welded joints with the filler metal E309L presented mechanical properties superior with relation to welded joints E316L. SSC results showed that the ZTA/fusion zone interface was the most susceptible to SSC. Results also showed that the 444 weldments using E309L electrode presented the best SSC resistance. This may be attributed to the presence of a discontinuous delta-ferrite network in the matrix, which acted as a barrier to cracks propagation from the fusion zone to the interface zone and HAZ of AISI 444 steel.

Os Materiais na História da Escrita (das placas de argila da Suméria às pastilhas de silício dos processadores actuais)