Laboratório em destaque: LabPlasma (UFRN) – do pioneirismo em nitretação iônica às mais diversas aplicações do plasma.

20/03/2014

Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma (LabPlasma) ocupa uma área de 150 m² do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Inicialmente, a partir de 1985, as pesquisas no LabPlasma se limitavam ao estudo da nitretação iônica ou nitretação por plasma aplicada em aços. De fato, o LabPlasma foi um dos laboratórios pioneiros no desenvolvimento de pesquisa em nitretação por plasma no Brasil.

Com o passar do tempo, a interação do LabPlasma com diferentes grupos de pesquisa da UFRN foi criando um ambiente fértil para a engenharia de plasma, abrindo o espectro das pesquisas. Assim, após a década de 1990, além da técnica de nitretação iônica, outras técnicas assistidas por plasma passaram a ser utilizadas para modificação de superfícies, visando aplicações biomédicas, tribo-mecânicas e têxteis.

Em 2012, o LabPlasma deu início a pesquisas de plasma frio produzido a pressão atmosférica através de descarga por barreira dielétrica (DBD), com aplicação na agricultura, saúde e meio ambiente.

Pesquisas atuais

imagem labplasma

Foto mostrando um jato de plasma criado na água quando aplicada uma descarga DBD.

Atualmente o laboratório continua desenvolvendo pesquisas na área de nitretação iônica de aços, principalmente usando a técnica de descarga em gaiola catódica, recentemente patenteada pelo grupo. Na área biomédica, o laboratório tem focado a modificação química e/ou topográfica de superfícies de titânio através do uso da nitretação/oxidação por plasma e bombardeamento com íons de argônio. Ainda nessa área estuda-se o efeito do tratamento por plasma nas propriedades físico-químicas de membranas de quitosana. Na área têxtil, tecidos de algodão, poliéster e TNT são modificados por plasma visando modificação da tensão superficial.

O grupo do LabPlasma também tem realizado um trabalho sistemático do sistema Ti (N,C,O,H) visando aplicações tribo-mecânicas, biomédicas e foto-catalíticas. Nele é utilizada a mistura Ar+N2+O2+H2+CH4 com diferentes concentrações dos gases intersticiais para produção de superfícies de titânio modificadas por tratamentos termoquímicos e deposição por magnetron sputtering.

O professor Clodomiro Alves, pesquisador líder do LabPlasma, possui agora a missão de desenvolver um laboratório de plasma na Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), na cidade potiguar de Mossoró. As pesquisas do novo laboratório visam aplicações de dispositivos de plasma produzido a partir de descarga por barreira dielétrica (DBD) para uso na agricultura e na cadeia produtiva da água marinha. Na agricultura, estuda-se o uso do plasma para quebra de dormência e inativação de fungos em sementes. Na presença de radiação UV, elétrons e/ou ozônio produzidos pelo plasma interagem com a superfície de sementes, inativando ou destruindo fungos existentes. Além disso, novos grupos funcionais polares são criados, tornando a superfície mais molhável. A semente nessas condições terá uma germinação mais uniforme e em menor tempo. Na cadeia produtiva da água marinha, pretende-se usar o plasma para purificação da água do mar e extração de elementos como sódio, cálcio e magnésio. Quando um jato de plasma é incidido sobre a água, ligações químicas da água e de sais existentes são quebradas, formando íons e liberando gases como H2 e Cl.

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foto clodomiroMinientrevista com o coordenador do LabPlasma no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, professor Clodomiro Alves Junior. Contato: clodomiro.jr@hotmail.com

O professor Clodomiro Alves Junior, um dos pioneiros da pesquisa em nitretação iônica no Brasil, é professor titular aposentado do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), aonde ingressou como professor em 1978. Na UFRN fundou o LabPlasma (Laboratório de Processamento de Materiais por Plasma) e foi seu coordenador entre 1985-2013. Foi orientador de 59 dissertações de mestrado e 25 teses de doutorado.

Atualmente é pesquisador visitante sênior da Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), na cidade potiguar de Mossoró, aonde está implantando um laboratório de plasma. Alves Junior também é presidente da Sociedade latino-americana de biomateriais, órgãos artificiais e engenharia de tecidos (SLABO).

Possui graduação em Física pela Universidade Federal do Rio Grande do Norte (1978) e mestrado e doutorado em Ciência e Engenharia dos Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (1984 e 1994, respectivamente). Tem ampla experiência em técnicas de modificação de superfícies assistidas a plasma, com aplicações em aços, polímeros, tecidos, biomateriais, entre outras.

É bolsista de produtividade em pesquisa 1B do CNPq.

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

a) Desenvolvimento de uma técnica para nitretação a plasma, sem incidência direta de íons, denominada de gaiola catódica

b) Desenvolvimento de um acessório para nitretação em três dimensões, por gaiola catódica, de pequenas peças, denominada de gaiola catódica rotatória.

c) Volume expressivo de orientações de pós-graduação e trabalhos indexados em engenharia de superfície durante o projeto: 37 artigos, 16 dissertações e 7 teses.

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

Ferraz, Emanuela P. ; Sa, Juliana C. ; De Oliveira, Paulo T. ; Alves, Clodomiro; Beloti, Marcio M.; Rosa, Adalberto L. The effect of plasma-nitrided titanium surfaces on osteoblastic cell adhesion, proliferation and differentiation. Journal of Biomedical Materials Research. Part A, v. 12, p. 91-98, 2013.

Macedo, M. O. C.; Macedo, H.R.A.; Gomes, D. L.; Daudt, Natalia de Freitas; Rocha, H. A. O.; Alves C. Inhibition of Microbial Growth on Chitosan Membranes by Plasma Treatment. The International Journal of Artificial Organs (Testo stampato), v. 37, p. 998-1002, 2013.

Daudt, Natalia de Freitas ; Barbosa, Julio Cesar Pereira; Macêdo, Marina De Oliveira Cardoso ; Pereira, Marcelo Barbalho; Alves Junior, Clodomiro . Effect of cage configuration in structural and optical properties of TiN films grown by cathodic cage discharge. Materials Research (São Carlos. Impresso), v. 10, p. 1-6, 2013.

de Sousa, R.R.M.; de Araújo, F. O.; Gontijo, L.C.; Alves, C.; da Costa, J.A.P.; Alves, C. Cathodic Cage Plasma Nitriding (CCPN) of austenitic stainless steel (AISI 316): Influence of the different Ratios of the (N2 / H2) on the nitrided layers properties.Vacuum (Oxford), v. 86, p. 2048-2053, 2012.

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

Maior visibilidade do grupo, pesquisa compartilhada e facilidade na mobilidade de pesquisadores e estudantes.

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Material de divulgação produzido pelo LabPlasma no contexto no Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

– Capítulos do livro eletrônico “Engenharia de Superfícies” sobre nitretação iônica, nitretação pulsada e nitretação por gaiola catódica (página 49) e sobre modificação da superfície de polímeros por plasma (página 54):http://pt.slideshare.net/Engenharia.de.Superficies/livro-eletrnico-engenharia-de-superfcies

– Postagens no Blog da Engenharia de Superfícies sobre história da nitretação iônica no Brasil e sobre algodão repelente à água após tratamento a plasma: https://engenhariadesuperficies.wordpress.com/author/clodomiro12345/

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Jubileu de prata da nitretação iônica no Brasil – parte 2

28/01/2011
primeiro artigo sobre nitretação

Primeiro artigo publicado em revista nacional (Metalurgia, da ABM) sobre nitretação iônica, em 1991: repercussão na indústria.

primeiro equipamento nitretação

Primeiro equipamento de nitretação iônica construído na UFRN em 1985.

Gostaria de resgatar mais alguns dados históricos da nitretação iônica que tiveram importância na disseminação da técnica no Brasil, bem como seu desdobramento para o uso do plasma em outras aplicações industriais.

Em 1989 aconteceu o  I Seminário Brasileiro de Materiais Resistentes ao Desgaste, promovido pela ABM com apoio da Escola Politécnica – USP. Esse foi o primeiro palco de discussão da técnica para um público constituído por estudantes, pesquisadores e profissionais da indústria nacional. Lembro-me que nesse fórum apresentei um trabalho intitulado: “Desenvolvimento de um sistema para nitretação iônica”, no qual apresentei resultados ainda preliminares em aços inoxidáveis e aço carbono. Esse trabalho abriu discussões e motivou uma aproximação com profissionais de indústrias nacionais como a Ermeto S.A., Cofap e Brasimet.

A primeira possuía um problema bem definido, que consistia na nitretação de anilhas de aço inox, usada para engate rápido, recentemente desenvolvida pela empresa. Essas anilhas necessitavam “cravar” uniformemente, quando apertadas contra as paredes de um tubo de inox, para vedar saídas de fluídos. Quando as mesmas eram nitretadas por banho de sais, apresentavam camadas irregulares, inviabilizando a vedação. Com a nitretação iônica foi possível solucionar esse problema. Isso motivou a construção, pela empresa, de um protótipo com capacidade para nitretar 1500 peças/batelada.  O reator foi desenhado, construído e montado em Jundiaí. A fonte, de 40 kW, também foi desenvolvida na própria empresa. Participei como consultor na montagem e testes preliminares. Os testes foram positivos, necessitando de pequenos ajustes no sistema de refrigeração, quando necessitava usar mais de 40% da capacidade de potência. Infelizmente, por questões econômicas, o projeto foi abortado e a consolidação do primeiro equipamento industrial genuinamente nacional não ocorreu.

As empresas Cofap, representada na época pelo eng. Jan Vatavuk, e a Brasimet, representada pelo eng. João Vendramin, tiveram também uma participação importante na disseminação da técnica no Brasil. Foram eles que “costuraram” a vinda, em 1994, do primeiro equipamento industrial de nitretação, o qual foi adquirido pela Brasimet. Também nesse período foi adquirido outro equipamento semi-industrial pela Universidade de Mogi das Cruzes (UMC), tendo o Prof. Carlos Pinedo e esses engenheiros como principais articuladores de um evento que reuniu mais de 70 engenheiros de empresas para divulgar o serviço disponível naquela instituição.

Nesse período (90-94) aconteceram muitos fatos importantes também na academia. O DEMa-UFSCar construiu um equipamento de plasma pulsado, que era parte do tema do meu doutorado. Mais dois equipamentos semelhantes foram em seguida construídos para a EESC-USP e DF-UFSCar. Por outro lado, a UFSC produzia grande número de teses e dissertações, algumas delas desenvolvidas em empresas como Embraco e Lupatech, que resultaram em parcerias com a indústria e disseminaram novos grupos de pesquisa. A UFRGS produzia trabalhos com base na implantação iônica de nitrogênio em aços, o que culminaria na área de nitretação iônica. Também outras instituições que possuíam facilidades para o desenvolvimento de pesquisas em plasma, como fontes de alta tensão, sistemas de vácuo, espectrômetros de emissão, entre outras, passaram a desenvolver pesquisas na área. Esses são os casos do ITA-INPE (São José dos Campos), Unicamp e USP-SP.

Atualmente a técnica está completamente disseminada no país, com 4 grupos na região nordeste, 1 na região centro-oeste, 15 na região sudeste e 10 na região sul, que formam os pilares para aplicação da tecnologia de plasma em diferentes aplicações.

Clodomiro Alves Junior
Professor titular – UFRN

Veja a parte 1 de “Jubileu de prata da nitretação iônica no Brasil”


Status da engenharia de superfícies por plasma

14/10/2010

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


Jubileu de prata da nitretação iônica no Brasil

10/09/2010

Pesquisa em nitretação iônica no Brasil: 25 anos.

Há exatos 25 anos estávamos iniciando, nas universidades brasileiras, as primeiras pesquisas em nitretação por plasma.

De uma maneira simultânea e isolada, estudava-se esse tema nas Universidades Federal de Santa Catarina (UFSC) e Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). Enquanto a UFSC tinha uma preocupação mais científica do processo como diagnóstico do plasma de N2-H2 e nitretação em pós-descarga, a UFRN desenvolvia pesquisas aplicadas como nitretação em aços carbono, aços inoxidáveis e aços ferramenta.

Este marco foi muito importante para o Brasil não apenas pelo fato em si, mas também pelo seu desdobramento. Foi a primeira vez que a tecnologia de plasma aproximou-se efetivamente das indústrias nacionais. Até então as pesquisas nessa área estavam reduzidas ao estudo da fusão nuclear através de confinamento magnético (Tokamak),  cujo tema estava não interessava às indústrias.

A década de 90 foi um período de efervescência e consolidação do processo no Brasil. Isso aconteceu através da participação de várias empresas em pesquisas nas universidades (ERMETO, COFAP, LUPATECH, entre outras) e a aquisição de equipamentos comerciais por parte da empresa Brasimet e de uma empresa incubada da Universidade de Mogi das Cruzes – SP. Nesse período nuclearam-se vários grupos de pesquisa, atingindo atualmente um número superior a 60 equipamentos de plasma sendo utilizados sinergicamente para desenvolver diversas pesquisas em tecnologia de plasma.
Esse sinergismo ocorrido no Brasil a partir das pesquisas em nitretação iônica a credencia como a principal propulsora da formação do fantástico quadro de laboratórios, pesquisadores e empresas envolvidos com a área.
Para comemorar esse jubileu de prata, estou disponibilizando, através do canal de apresentações e documentos do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies,  um livro que escrevi no final da década de 90, no qual estão contidos os fundamentos do plasma, evolução histórica e grandes desafios do processo de nitretação iônica, bem como exemplos de outros processos a plasma.

Clodomiro Alves Junior


Plasma: física, engenharia e spin-offs

03/09/2010

Tratamentos de superfícies a plasma: competência do Instituto.

No passado mês de agosto participei do III Encuentro de Jóvenes Investigadores de Materiales, realizado em Concepción del Uruguay (Entre Rios – Argentina).

Além de fazer uma apresentação técnica sobre engenharia de superfícies por plasma, participei de uma mesa redonda sobre transferência tecnológica, onde comentei a minha experiência com spin-offs acadêmicas, entendidas aqui como empresas criadas a partir da vontade de pesquisadores ou estudantes de transformar em produtos e serviços pessoalmente as pesquisas e o conhecimento desenvolvido na universidade.

A criação de empresas de base tecnológica é, de fato, um dos mecanismos possíveis de transferência – uma alternativa a transferir a tecnologia para empresas já existentes.

Universidades com excelência acadêmica como a de Stanford e o MIT estão entre as principais geradoras de spin-offs acadêmicas, como ilustram os exemplos do professor Langer e de Page e Brin que coloquei nos meus slides (como são poucos, insiro aqui a apresentação):

No âmbito do nosso Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, participo junto a alguns estudantes de uma spin-off de engenharia de superfícies por plasma, a Plasmar Tecnologia. O primeiro serviço que oferecemos foi a nitretação a plasma, tema que estudei no meu doutorado na Unicamp. Além de quatro estudantes da UCS, a Plasmar atraiu um doutor formado pela Universidade de Birmingham (berço da engenharia de superfícies) que veio morar aqui em Caxias do Sul e lidera as atividades de P&D da empresa.

Após a apresentação no painel em Concepción del Uruguay, percebi o interesse e vontade de muitos estudantes da área de Materiais de se aproximar de pesquisas mais aplicadas e, mais do que isso, de montar um empreendimento de base tecnológica. É muito importante que as instituições e professores não apaguem a chama desses estudantes, criando as devidas condições de trabalho que favoreçam a criação de empreendimentos de base tecnológica.

Ainda no evento dos jovens pesquisadores, fiquei sabendo do sítio web do Instituto de Física del Plasma, centro de pesquisa em plasma ligado ao CONICET (o principal órgão governamental de promoção da ciência e tecnologia na Argentina) e à UBA (a Universidade de Buenos Aires). O site tem bastante informação de qualidade sobre física do plasma, como as informações sobre descarga de gases e eletrodinâmica de fluidos parcialmente ionizados.

Até a próxima e bom feriadão!

Carlos A. Figueroa


Algodão repelente à água

08/07/2010

Discente: Duciane Oliveira de Freitas, M.Sc.

Orientador: Clodomiro Alves Júnior, Dr.

De maciez e conforto incomparáveis, a fibra de algodão é a matéria-prima base da indústria têxtil. Entretanto, seu elevado grau de absorção da água e umidade restringe sua utilização em algumas áreas ou diminui a sua durabilidade. Superfícies sujeitas ao contato com líquidos contaminantes, corrosivos e/ou impregnantes são fortemente suscetíveis ao uso do algodão. Exemplos dessa aplicação se encontram em vestimentas da área biomédica e para profissionais em geral e em alguns revestimentos de produtos para automóveis e aeronaves. Deste modo, a repelência à água dos produtos fabricados com tal fibra desperta interesse dos pesquisadores.

Visando a diversidade de produtos multifuncionais, a indústria têxtil busca inovações que vão ao encontro das necessidades dos consumidores e do mercado em geral, unindo o conforto da fibra de algodão com a hidrofobicidade (repelência à água) de uma fibra sintética, e atendem também aos aspectos ambientais. Para isso, na etapa de acabamento do tecido, são aplicados produtos químicos que aumentam sua hidrofobicidade.

Na nossa pesquisa, aplicamos tratamentos em tecidos de algodão para obter hidrofobicidade utilizando técnicas por plasma*, as quais eliminam produtos químicos tóxicos do processo e diminuem o consumo de água na linha de produção.

Uma gota de água sobre um tecido de algodão antes (esquerda) e depois (direita) do tratamento com plasma

*Leia o trabalho completo no link Produção científica do site do Labplasma. Título: Modificação superficial do tecido 100% algodão tratado com plasma.