Comportamento em fluência sob variação de temperatura e condutividade elétrica em solicitação cíclica de filamentos de nanotubos de carbono

• Ano de defesa: 2025
• Autor(a) principal: Cardoso, Frantchescole Borges
• Orientador(a): Osório, Alice Gonçalves
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Pelotas
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Filamentos de nanotubos de carbono; Fluência; Fadiga; Condutividade elétrica; Carbon nanotube yarns; Creep; Fatigue; Electrical conductivity
• Área do conhecimento CNPq: ENGENHARIAS
• Link de acesso: http://guaiaca.ufpel.edu.br/xmlui/handle/prefix/17242

A popularização de dispositivos eletrônicos portáteis faz com que a busca por sistemas cada vez mais flexíveis, adaptáveis e energeticamente autossuficientes se intensifique. A rigidez estrutural da eletrônica tradicional e a necessidade de fornecimento de energia a partir de baterias convencionais representam barreiras ao avanço tecnológico. Nesse cenário os nanomateriais, especialmente à base de carbono, se mostram opções promissoras para o desenvolvimento de dispositivos flexíveis cada vez mais compactos. Além disso, esses materiais são capazes de capturar a energia de fontes ambientais, como fontes luminosas, térmicas, mecânicas, etc., e transformá-las em energia utilizável, tornando-os autossuficientes. Se tratando de colheita mecânica de energia, os filamentos de nanotubos de carbono (CNTYs) tem se mostrado uma alternativa em potencial para essa aplicação. Além das suas excelentes propriedades mecânicas e elétricas, esses nanotubos na forma de filamentos macroscópicos apresentam, também, a capacidade de converter energia mecânica em elétrica, possibilitando sua utilização como sensores, atuadores, músculos artificiais, entre outros. Embora haja grande expectativa em torno desses materiais, eles ainda se encontram na fronteira do conhecimento e requerem mais estudos para uma melhor compreensão de suas características e respostas, principalmente em ambientes adversos e extremos, como solicitações dinâmicas e variação de temperatura. Nesse contexto, o presente trabalho teve como objetivo a avaliação de CNTYs em condições estáticas e dinâmicas, bem como avaliação de resposta elétrica em solicitações dinâmicas. Para isso, CNTYs foram produzidos pelo método forest spinning, sendo confeccionados com 5 camadas de filmes de nanotubos com largura de 55 mm, torcidos 2000 vezes por metro, e densificados com acetona. Durante o processo de torção, os filamentos foram tensionados com uma carga de 5 g. Os nanotubos foram caracterizados por microscopia e espectroscopia Raman. Posteriormente, foram avaliados por ensaios mecânicos de tração e fluência, onde a fluência foi baseada no percentual da carga de ruptura obtida nos testes de tração (50, 70 e 80% YBL) da carga de ruptura. Ainda, esses ensaios foram realizados com variação de temperatura, (25 e 50°C). Após os ensaios mecânicos, a ruptura dos filamentos foi avaliada por microscopia eletrônica de varredura, buscando entender o mecanismo sofrido pelos filamentos. Além disso, a condutividade elétrica dos filamentos foi avaliada de forma in situ, durante ciclos definidos de fadiga, de modo a entender a influência dos estiramentos dos CNTYs sob cargas cíclicas de tração/relaxamento na sua condutividade elétrica. A produção resultou em filamentos densos, uniformes e com boa reprodutibilidade, tendo seu diâmetro médio de 89,69 ± 3,47 µm, ângulo de hélice médio de 28,56 ± 1,87º e carga máxima sob tração em média de 1,65 ± 0,5 N. Seu mecanismo de falha apresentou uma densificação mecânica que precede a ruptura. Inicialmente há uma eliminação de vazios na estrutura gerando maior interação entre eles. Sob fluência os filamentos ensaiados em 50ºC apresentaram tempos de falha menores se comparados aos de 25ºC, atribuído a agitação térmica ocasionada pela alta temperatura. A deformação cresceu com o aumento do percentual de carga para ambas as temperaturas. Quanto ao comportamento elétrico, os ciclos de solicitação mecânica proporcionaram melhorias na condutividade elétrica dos filamentos devido a possível aproximação dos nanotubos e eliminação de vazio na estrutura.