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http://hdl.handle.net/1843/84513
Tipo: | Tese |
Título: | Obtenção de scaffolds metálicos com presença de fases quasicristalinas dos sistemas Al-Cu-Fe e Al-Cu-Fe-Cr |
Autor(es): | Miguel Leite Lapér |
primer Tutor: | Witor Wolf |
primer Co-tutor: | Eduardo Henrique Martins Nunes |
primer miembro del tribunal : | Manuel Noel Paul Georges Houmard |
Segundo miembro del tribunal: | Claudemiro Bolfarini |
Tercer miembro del tribunal: | Alice Gameiro Leonel |
Cuarto miembro del tribunal: | Adilson Vitor Rodrigues |
Resumen: | Desde a descoberta dos quasicristais (QCs), a comunidade científica estuda extensivamente essa classe de materiais, por conta de suas características estruturais e propriedades físicas. Uma das principais características estruturais dessas fases está em sua quasiperiodicidade translacional. Dentre suas principais propriedades físicas e químicas, podem ser citadas: baixa condutividade elétrica e térmica, altos valores de dureza e módulo de Young, baixa energia de superfície, dentre outras. Apesar desse conjunto único de propriedades, os QCs apresentam muitas limitações em termos de aplicações, devido à sua fragilidade intrínseca. Entretanto, eles apresentam grande potencial de aplicação como, por exemplo, agentes de reforço em compósitos, revestimentos em sistemas tribológicos, isolantes térmicos, agentes para o aumento da resistência à corrosão de diversos materiais, em sistemas catalíticos, entre outros. O presente trabalho visa produzir arquiteturas porosas que apresentem fases quasicristalinas em suas estruturas a partir de duas rotas distintas. A primeira rota foi via dynamic freeze-casting a partir de uma liga quasicristalina Al62,5Cu25Fe12,5 (%at.), produzida por atomização a gás. Essa rota possibilitou a produção de scaffolds com altos valores de porosidade (62.4%), com poros abertos e interconectados. Já a segunda foi via lixiviação de uma liga Al85Cu6Fe3Cr6 (%at.), produzida via conformação por spray. Ou seja, partindo-se de um depósito sólido, a etapa de formação dos poros foi consequência da exposição das amostras a uma solução concentrada de NaOH. Avaliou-se o efeito do tempo de lixiviação na evolução da porosidade das amostras. Os resultados indicaram que quanto maior o tempo de lixiviação, maior a profundidade do ataque químico, atingindo 376.4 ± 40.0 µm após 48 horas de lixiviação. Além disso, avaliou-se o efeito do tempo de lixiviação na capacidade de adsorção desses materiais, onde o corante vermelho congo (VC) foi usado como agente contaminante a ser removido de uma solução. A sua remoção se deu através da adsorção na superfície da liga lixiviada. A amostra lixiviada por 30 minutos apresentou a maior eficiência de remoção do VC, em grande parte devido à sua carga superficial ligeiramente positiva (potencial zeta de +7,2 ± 4,2 mV), que promove interações eletrostáticas favoráveis com as moléculas aniônicas do corante. Observou-se que a capacidade de adsorção diminui em tempos de lixiviação mais longos, como 48 horas, onde a formação de óxidos e hidróxidos na superfície gera uma carga superficial negativa e bloqueia os sítios ativos. Testes de ciclagem demonstraram que o material pode ser reutilizado como adsorvente, apesar de uma ligeira diminuição na capacidade de adsorção após cada ciclo de limpeza, indicando que alguns sítios ativos permanecem ocupados. O VC também foi usado para avaliar, na melhor condição de lixiviação avaliada, o seu uso como catalisadores na presença do borohidreto desódio (agente redutor). Os testes catalíticos revelaram que os picos de absorção característicos do VC desapareceram ou mudaram para comprimentos de onda menores em apenas 10 minutos de imersão na presença de NaBH4, confirmando a degradação catalítica eficiente do corante. Análises de FTIR reforçaram esses resultados, mostrando a quebra das ligações azo e a formação de subprodutos, validando o potencial catalítico do material. A segunda rota possibilitou produzir amostras porosas com presença de fase quasicristalina, que podem ser utilizadas em sistemas de adsorção e catálise, com as vantagens de serem facilmente manuseadas e recuperadas. |
Abstract: | Since the discovery of quasicrystals (QCs), the scientific community has extensively studied this class of materials due to their structural characteristics and physical properties. One of the main structural characteristics of these phases is their translational quasiperiodicity. Their primary physical and chemical properties include low electrical and thermal conductivity, high hardness and Young's modulus values, and low surface energy, among others. Despite this unique set of properties, QCs have many limitations in terms of applications due to their intrinsic fragility. However, they have great potential for application, such as reinforcing agents in composites, coatings in tribological systems, thermal insulators, agents for increasing the corrosion resistance of various materials, catalytic systems etc. The present work aims to produce porous architectures that present quasicrystalline phases in their structures from two distinct routes. The first one was via dynamic freeze-casting from a quasicrystalline alloy Al62,5Cu25Fe12,5 (%at), produced by gas atomization. This route enabled the production of scaffolds with high porosity values (62.4%), with open and interconnected pores. The second route was via leaching of an Al85Cu6Fe3Cr6 alloy (%at), produced via spray forming. In other words, starting from a solid deposit, the pore formation stage resulted from exposing the samples to a concentrated NaOH solution. The effect of leaching time on the evolution of sample porosity was evaluated. The results indicated that the longer the leaching time, the greater the depth of chemical attack, reaching 376.4 ± 40.0 µm after 48 hours of leaching. Furthermore, the impact of leaching time on the adsorption capacity of these materials was evaluated, using Congo red dye (CR) as a contaminant to be removed from a solution. Its removal occurred through adsorption on the surface of the leached alloy. The sample leached for 30 minutes showed the highest CR removal efficiency, largely due to its slightly positive surface charge (zeta potential of +7.2 ± 4.2 mV), which promotes favorable electrostatic interactions with the anionic dye molecules. It was observed that the adsorption capacity decreases at longer leaching times, such as 48 hours, where the formation of oxides and hydroxides on the surface generates a negative surface charge and blocks active sites. Cycling tests demonstrated that the material can be reused as an adsorbent, despite a slight decrease in adsorption capacity after each cleaning cycle, indicating that some active sites remain occupied. CR was also used to evaluate, under the best leaching condition evaluated, its use as a catalysts in the presence of sodium borohydride (reducing agent). Catalytic tests revealed that the characteristic absorption peaks of CR disappeared or shifted to shorter wavelengths in just 10 minutes of immersion in the presence of NaBH4, confirming the efficient catalytic degradationof the dye. FTIR analyses reinforced these results, showing the breakage of azo bonds and the formation of by-products, validating the material's catalytic potential. The second route made it possible to produce porous samples with a quasicrystalline phase, which can be used in adsorption and catalysis systems, with the advantages of being handled and recovered effortlessly. |
Asunto: | Materiais Ciência dos materiais Lixiviação Adsorção Catálise |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Sigla da Institución: | UFMG |
Departamento: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA |
Curso: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas |
Tipo de acceso: | Acesso Aberto |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/84513 |
Fecha del documento: | 23-may-2025 |
Aparece en las colecciones: | Teses de Doutorado |
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