Laboratório em destaque: Laboratório de Filmes Finos da Universidade Federal Fluminense – filmes de DLC sobre borracha.

Expansão de pluma de plasma obtida por ablação de alvo de estanho por laser pulsado de 1064 nm.

Criado em 2004, o Laboratório de Filmes Finos do Instituto de Física da Universidade Federal Fluminense (UFF) vem agregando recursos e competências com foco em revestimentos a base de DLC (diamond-like carbon), material caracterizado por sua alta dureza mecânica e alta resistência ao desgaste e ao ataque químico.

O laboratório atua na produção desses filmes por meio de PECVD (plasma enhanced chemical vapor depostion) convencional e PECVD a catodo oco de placas paralelas; no desenvolvimento de novos processos para deposição por PECVD; na modificação dos filmes por meio da incorporação de elementos e de tratamentos a plasma, e na caracterização dos revestimentos.

Em particular, o laboratório tem desenvolvido revestimentos a base de filmes  DLC depositados por plasma sobre elastômeros, visando sobrepujar as limitações desses polímeros quanto à resistência ao desgaste e ao ataque químico, as quais impedem seu uso em uma série de aplicações.

No laboratório também foi desenvolvida competência na caracterização in situ da produção de filmes DLC por técnicas ópticas, a qual pode ser estendida à caracterização de outros revestimentos ou processos utilizados em Engenharia de Superfícies.

Sistema para deposição de DLC por PECVD, com montagem para monitoramento do crescimento in situ por Reflectometria a Laser.

Pesquisas atuais em Engenharia de Superfícies

O trabalho sobre filmes de DLC sobre borracha está sendo continuado com o estudo de filmes produzidos por PLD (deposição por laser pulsado). Os primeiros resultados mostram que esses filmes apresentam resistência ao desgaste bastante superior à dos filmes depositados por plasma. Ainda nesse assunto, o Laboratório de Filmes Finos está iniciando uma colaboração com o Laboratório de Tribologia, Corrosão e Materiais (TRICORRMAT) da Universidade Federal do Espírito Santo (UFES), também participante do Instituto, para estudo dos mecanismos de desgaste de filmes de DLC sobre borracha.

Minientrevista com o coordenador do Laboratório de Filmes Finos, professor Dante Ferreira Franceschini Filho

Dante Franceschini graduou-se em Física (1977) pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro (PUC-Rio) e fez o mestrado em Física (1984) no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF). Após o mestrado, ingressou na Petroflex Indústria e Comércio S.A, onde trabalhou na pesquisa de catalisadores e suportes a base de alumina para aplicação na indústria química. Realizou o doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais na COPPE-UFRJ (1994) tendo como tema o estudo da incorporação de nitrogênio em filmes finos de DLC. Foi professor visitante da PUC-Rio. Desde 1997, é professor do Instituto de Física da UFF. É autor de 35 artigos em periódicos internacionais indexados, contando com mais de 1.100 citações.

1. Quais foram, na sua avaliação, os principais resultados conseguidos por seu grupo no contexto do nosso INCT?

A principal ação na área de pesquisa, ainda em andamento, é o estudo de revestimentos de DLC depositados por plasmas sobre compósitos de borracha natural. Neste estudo observou-se que camadas de DLC são eficazes como revestimentos resistentes ao desgaste, mesmo em substratos macios como os elastômeros.

Na área da formação de recursos humanos, tivemos um trabalho de conclusão do curso de graduação em Física na UFF, e uma dissertação de mestrado no programa de Engenharia Química da UFF. Na área de divulgação devemos citar um capítulo sobre este tema no e-book do Instituto.

Além deste assunto, devemos mencionar o desenvolvimento de técnica para produção de nanopartículas de diversos materiais por meio de deposição por laser pulsado em presença de gases a pressões relativamente altas. Estamos trabalhando com a deposição de filmes de nanopartículas de níquel, óxido de níquel, óxido de európio, para aplicações eletroquímicas (eletrocromismo) e em fotônica (filmes fotoluminescentes).

No campo do desenvolvimento, não podemos deixar de mencionar a participação no projeto VALE/Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies para a avaliação de materiais de desgaste para a mina de Cauê da VALE.

2. Escolha os artigos científicos mais destacados publicados por seu grupo no contexto do Instituto

Não temos artigos científicos recentes sobre os trabalhos citados acima. Estamos submetendo agora os artigos relativos à sua conclusão.

3. Comente os pontos positivos de ser um participante do nosso Instituto.

Além do apoio financeiro, muito importante na aquisição de nosso tribômetro, e para as despesas de custeio, devo ressaltar a aproximação com outros grupos do Instituto para colaboração, e a visibilidade, que possibilitou a aproximação com a VALE, e poderá propiciar outras, com o propósito de aplicar na indústria os processos desenvolvidos no laboratório.

Laboratório em destaque: Projeto DIMARE do LAS/ INPE – materiais superduros, no laboratório e no mercado.

O projeto DIMARE (Diamantes e Materiais Relacionados) nasceu em 1992 no Laboratório Associado de Sensores e Materiais/LAS do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) com o propósito de pesquisar novos materiais, especialmente os super duros, mas com características de aplicabilidade elevada. Sua atuação abrange desde assuntos básicos até os mais aplicados, tendo contribuído com mais de 200 publicações, mais de 450 participações em congressos nacionais internacionais e 12 patentes, num total de 108 projetos financiados pela FAPESP, CNPq, e FINEP, além do Tesouro Nacional. Tem cerca de 12 colaborações nacionais e internacionais, com mais de 70 alunos de pós-graduação formados até o presente.

O DIMARE contribuiu de forma decisiva para a criação da empresa Clorovale Diamantes, uma empresa de inovação que atua na produção de dispositivos em diamante-CVD e DLC (diamon-like carbon) voltados para vários segmentos industriais, incluindo o espacial, o da saúde, o do petróleo etc.

Ao longo do tempo, abriram-se várias frentes de pesquisas, entre elas, estudos de modificação de superfícies em diferentes metais, em silicatos e polímeros, com os propósitos inicias de conseguir camadas protetoras contra o desgaste mecânico e corrosão química. Sucesso grande foi obtido em aços de baixas e altas ligas, em titânio e suas ligas, para aplicações espaciais e em diversos segmentos industriais, em silicatos e materiais afins para proteção de superfícies com transparências ópticas na região do visível e infra-vermelho, especialmente para aplicações em dispositivos espaciais. Algumas características esperadas são o baixo coeficiente de atrito, a alta dureza e o baixo desgaste devido à ação mecânica e química dando longevidade e diversificação de uso a estes dispositivos.

Laboratório de DLC

Laboratório de Tribologia

Pesquisas atuais em Engenharia de Superfícies

No Projeto DIMARE a área de Engenharia de Superfície está diretamente vinculada aos estudos de crescimento e caracterizações de filmes de DLC e de diamante – CVD. Além disso, a equipe está iniciando estudos com nanotubos de carbono, em particular, estudos de deposição de DLC sobre nanotubos de carbono a fim de se obter melhor resposta eletroquímica e, ainda, melhor resposta em termos de emissão termiônica para aplicação como conversores termiônicos para geração de energia limpa.

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Minientrevista com o coordenador do LAS – Projeto DIMARE no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, professor Vladimir Jesus Trava-Airoldi.

O professor Vladimir é pesquisador sênior do INPE e professor conferencista da UNIFESP. É o principal fundador de empresa Clorovale Diamantes. Entre outros reconhecimentos, ganhou o Prêmio Finep de Inovação na categoria Inventor Inovador em 2011 e o prêmio de melhor invento mundial, 2011, outorgado pela WIPO (World International Patent Organization), ambos pelo desenvolvimento de pontas de diamante-CVD para instrumentos odontológicos e médicos, as quais são comercializadas desde 2008, possibilitando tratamentos muito eficientes, minimamente invasivos, sem ruído e sem dor na maioria dos casos.

Possui graduação em Física pelo Instituto de Física da USP (1978), mestrado (1981) e doutorado em Física pelo ITA (1986) e pós-doutorado no Jet Propulsion Laboratory (NASA) e California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos.

Atua em pesquisa e desenvolvimento em temas como diamante CVD e DLC, descargas em plasma, expansão de gases, física de moléculas, tecnologia de vácuo e criogenia e nanoestruturas, entre outros assuntos. É autor de cerca de 190 artigos, a grande maioria publicados em periódicos indexados internacionais, com mais de 1200 citações. É bolsista de produtividade em pesquisa nível 1C do CNPq.

1. Quais foram, na sua avaliação, os principais resultados conseguidos por seu grupo no contexto do nosso INCT?

Todos os alunos da equipe foram incentivados a conhecer as atividades dos demais grupos pertencentes ao INCT, o nosso Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies. Desta forma, houve uma boa expansão dos horizontes a serem buscados para discussões, especialmente na área de caracterizações de filmes finos de carbono.  Deve acrescentar-se, ainda, que o Instituto está ajudando com algumas contribuições internacionais, com Argentina, Colômbia e Chile.

2. Escolha os artigos científicos mais destacados publicados por seu grupo no contexto do Instituto.

Eugenia L. Dalibón, Raúl Charadia, Amado Cabo, Vladimir Trava Airoldi, Sonia P. Brühl, Evaluation of the mechanical behavior of a DLC film on plasma nitride AISI 420 with different surface finishing , Surface and Coating Technology, accepted, Surface & Coating Technology, 2013.

Wachesk, C.C. ; Pires, C.A.F. ; Ramos, B.C. ; Trava-Airoldi, V.J. ; Lobo, A.O. ; Pacheco-Soares, C. ; Marciano, F.R. ; Da-Silva, N.S. Cell viability and adhesion on diamond-like carbon films containing titanium dioxide nano particles, Applied Surface Science, v. 266, pg. 176 2013.

H. Zanin, P. W. May, A. O. Lobo, E. Saito,  J. P. B. Machado, G. Martins, V. J. Trava-Airoldi, and E. J. Corat. Effect of Multi-Walled Carbon Nano tubes Incorporation on the Structure, Optical and Electrochemical Properties of Diamond-Like Carbon Thin Films, Journal of The Electrochemical Society, 161 (5) H1-H6 (2014).

3.Quais benefícios trouxe a seu grupo de pesquisa o fato de ser participante de nosso Instituto.

A formação de uma rede relacionada com assuntos em comum tem facilitado algumas discussões técnico-científicas, bem como o uso de técnicas de caracterizações não disponíveis em nossos laboratórios.

Até o momento, o uso dos recursos do Instituto disponíveis, tanto os financeiros quanto os técnicos, tem sido bastante fácil, e tem atendido às tarefas previamente estabelecidas no escopo do projeto originalmente estabelecido.

Considerando que o projeto DIMARE, por princípio,  tem vinculo com uma empresa parceira de inovação, é sem dúvida uma vantagem grande para o projeto poder contar com esta possibilidade sem  imersão em processos burocráticos.

A criação de um boletim, para o Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies é um ponto importante, pois agiliza as informações e debate entre os participantes.

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Material de divulgação produzido pelo LAS – Projeto DIMARE no contexto no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

– Capítulo do livro eletrônico “Engenharia de Superfícies” sobre propriedades bactericidas de filmes DLC fluoretados (página 20) http://pt.slideshare.net/Engenharia.de.Superficies/livro-eletrnico-engenharia-de-superfcies

Revestimentos metalúrgicos em San Diego

Revestimentos, tema da conferência. Em 2011, destaque para HIPIMS e abordagem tribológica.

Bom dia!

Participei, neste mês de maio, da International Conference on Metallurgical Coatings & Thin Films (ICMCTF) – uma experimentada conferência na área dos revestimentos metalúrgicos. As quase quatro décadas de existência do evento permitem que tenha uma excelente visão da pesquisa, desenvolvimento e inovação nesta área da engenharia de superfícies, devido à presença em quantidade e qualidade de profissionais e empresas do setor.

Fazia 10 anos que eu não participava desta conferência. Embora tenha caído a quantidade de participantes, 800 pessoas ainda é um número relevante quando pensamos na densidade de conhecimento resultante da participação de todos esses indivíduos.

A qualidade técnica e a intensidade da conferência são marcas registradas. Prova disso: a entrada é às 8:00 hs e a saída, às 18:00 hs, sem coffee break, com até 7 sessões em paralelo. Para aqueles que querem aproveitar cada minuto e dinheiro investido, ainda há palestras com lanches ao meio-dia, como, por exemplo, a palestra com um diretor da Elsevier e 5 editores de revistas importantes (Thin Solid Films, Surface&Coatings Technology, Vacuum, Applied Surface Science e Surface Science), o que não é pouca coisa.

Do ponto de vista técnico, HIPIMS continua sendo “a menina dos olhos” das tecnologias emergentes na área de processamento de superfícies por plasma. A conferência mostrou um volume importante de trabalhos com muitas sessões específicas. Porém o estado-da-arte ainda parece um pouco distante das aplicações industriais. Se o magnetron sputtering tradicional já é relativamente complexo, HIPIMS é exponencialmente mais dependente das variáveis que o seu predecessor.

Além disso, as sessões de tribologia aumentaram, e muitos trabalhos são focados a partir dessa abordagem. Aliás, os trabalhos mais impactantes, do meu ponto de vista, foram os tribológicos in situ. As sessões de DLC não possuem mais CNx e estão quase concentradas nas aplicações com pouco trabalho básico. Por último, as palestras-review foram muito boas para ver a linha do tempo de muitas tecnologias, técnicas e materiais que trabalhamos no dia-a-dia.

No workshop industrial não vi muita coisa nova (só inovação incremental), mas me chamou a atenção um espectrômetro de massas de alta velocidade de resposta, enxuto e portátil, da Brooks Automation, o qual não opera com o princípio físico tradicional do campo elétrico de um quadrupolo e sim por um campo elétrico que faz entrar os íons em ressonância para obter o sinal.

Finalmente, a comida mexicana e o contexto do estado da Califórnia dão um toque particular a esta conferência.

Carlos A. Figueroa

Status da engenharia de superfícies por plasma

PSE2010 abordou temas quentes da engenharia de superfícies por plasma: DLC para eficiência de motores e tecnologia HIPIMS.

Na segunda semana de setembro deste ano participei da XII International Conference on Plasma Surface Engineering na Alemanha.

Esta tradicional conferência sobre engenharia de superfícies por plasma apresentou dados importantes, como um aumento de 80 % no número de participantes, com uns 1.400 participantes no total. Esse dado mostra, no mínimo, o incremento do interesse mundial na área – e que a Kongresshaus de Garmisch-Partenkirchen (sede do evento) está ficando pequena.

A plenária trouxe um tema de relevância mundial: os revestimentos de ultra-baixo atrito (DLC, neste caso) para aumento da eficiência de motores de combustão interna e redução de emissões de efeito estufa. Ministrada por um profissional da BMW, a palestra mostrou que a empresa já está aplicando esses revestimentos nas suas novas linhas de carros.

Entre os destaques da conferência, pode ser dito que a tecnologia HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) está em alta, para não dizer na moda, e que as aplicações do plasma em materiais para sistemas biológicos representam uma das áreas mais quentes do momento em qualidade e quantidade de trabalhos apresentados.

Como sempre acontece nesta conferência, a presença do setor industrial europeu da área foi maciça e potente. Porém, chamou a minha atenção uma empresa indiana que fabrica equipamentos de revestimentos duros por plasma, inclusive com eletrônica e magnetrons próprios, o que indica um alto nível de nacionalização da tecnologia na área. (Aqui no Brasil ainda não existem empresas que tenham feito magnetrons de porte industrial).

O próximo encontro  será de 10 a 14 de setembro de 2012 na clássica estação de esqui alemã.

Um abraço,

Carlos A. Figueroa