Search

It was investigated the effective thermal diffusivity behavior for biocompatible composites made of hydroxyapatite (HAp) and niobium pentoxide (Nb2O5) powders before, and after sinterization at 1000 °C. Then, it was studied the phase transitions for temperature variations in process of heating and cooling of a sample of gadolinium (Gd) and a sample of nickel-titanium (NiTi or Nitinol) through thermal diffusivity. For the magnetocaloric sample (Gd) it was detected the transition between ferromagnetic paramagnetic phases around a Curie temperature of TC = 18 °C, being a transition of second order (without latent heat). Also for the intermetallic alloy of NiTi it was possible to observe the structural transitions between martensite austenite phases (in this cases, a transition of first order related to a latent heat). The results for the thermal diffusivity of the Nitinol revealed the characteristic temperatures observed for the two phases, like the initial temperature (As = 50 °C) and final temperature (Af = 80 °C) for austenite phase transition, and the inicial temperature (Ms = 45 °C) and final temperature (Mf = 25°C) for martensite transformation. With thermal cycling it was clearly observed an absence of thermal hysteresis for the magnetocaloric sample. However the same doesn't occur with the NiTi alloy, which presents an hysteresis of about 5 °C between As and Ms. The values obtained for the thermal diffusivities, and the behaviors observed for the samples of Gd and NiTi agree nicely with the values and the patterns reported in the literature. Investigou-se o comportamento da difusividade térmica efetiva de compósitos biocompatíveis feitos de hidroxiapatita (HAp) e pentóxido de nióbio (Nb2O5) em pó antes e após a sinterização a 1000 °C. Em seguida estudou-se as transições de fase em função da temperatura em processos de aquecimento e resfriamento para uma amostra de gadolínio (Gd) e uma amostra de níquel-tintânio (NiTi ou Nitinol) via difusividade térmica. No caso da amostra magnetocalórica de Gd detectou-se a transição de fase ferromagnética paramagnética para a temperatura de Curie em torno de TC = 18 °C, tratando-se de uma transição de segunda ordem (não existe calor latente). Para a liga intermetálica de NiTi também foi possível observar a transição entre as fases estruturais martensita austenita (neste caso uma transição de primeira ordem envolvendo calor latente). Com a técnica fotoacústica determinou-se também as temperaturas características das transições da amostra Nitinol, como as temperaturas inicial (As = 50 °C) e final (Af = 80 °C) de transição para a fase austenita, bem como as temperaturas inicial (Ms = 45 °C) e final (Mf = 25°C) para a fase martensita. Com a ciclagem térmica observou-se claramente a ausência de histerese térmica para a amostra magnetocalórica de Gd. No entanto, o mesmo não ocorre para a liga de NiTi, a qual apresenta histerese térmica da ordem de 5 °C entre as temperaturas As e Ms. Os valores obtidos para as difusividades térmicas, e os comportamentos observados para as amostras de Gd e NiTi concordam satisfatoriamente com os valores e tendências apresentados na literatura. 103 f

This dissertation proposes the use of the technique of open photoacoustic cell (OPC) to study the thermal diffusivity of powder materials. The samples were stored in small sample holders (racks) in the form of a hard cast, especially made for powder materials. Mating a Peltier device to OPC, it was possible to control the temperature of the samples. The determination of the diffusivity as a function of temperature allowed the detection of phase transitions of first and second order for the magnetocaloric alloy Gd5, 09Si2, 03Ge1,88, with grain sizes between 45 and 63 micrometers. By heating the powder from -11ºC to -2ºC, the first order transition occurred around -7°C and - 6.5 °C, and by cooling from 50°C to 0ºC, the second order transition was detected at 27ºC, both reported in the literature. Still, for the macerated Gd5,09Si2,03Ge1,88 alloy were measured diffusivity as a function of particle size for a series of four racks at a constant temperature of 25°C. Each rack was filled with a different size, ranging from smaller grains sizes up to 25 micrometers between 45 and 63 micrometers. With the attainment of thermal diffusivity as a function of grain sizes, it was found that the diffusivity increases linearly with increasing particle size. Besides the experimental techniques, is presented a theoretical model for OPC using a sample of three layers. The purpose of the model is to describe the variation of photoacoustic signal as a function of optical frequency modulation as for a few samples such as: 316L stainless steel, germanium, silicon, and silica glass. Theoretical considerations of this initial model did not take into account properties such as thermal resistance at the interfaces between the contacts of the sample layers, or characteristics existing within the volume of powder, such as porosity, grain shape, amount of fluid phase and solid phase, and other characteristics that may influence the propagation of heat. Such considerations are left to be discussed in future works. Investigations on the thermal properties of powder materials and the magnetocaloric alloy showed that the OPC technique is not limited only to homogeneous samples (such as thin films and laminate) and could be adapted and applied at low cost to different types of materials, including porous samples. Neste trabalho de mestrado é proposto o uso da técnica de célula fotoacústica aberta (OPC) para estudar a difusividade térmica de materiais em pó. As amostras foram armazenadas em pequenos porta-amostra (ou bastidores) na forma de um disco vazado especialmente confeccionados para materiais em pó. Acoplando-se um dispositivo Peltier a OPC foi possível controlar a temperatura das amostras. A determinação da difusividade em função da temperatura possibilitou a detecção das transições de fase de primeira e de segunda ordem para a liga magnetocalórica Gd5,09Si2,03Ge1,88 com tamanhos de grãos entre 45 e 63 µm. Aquecendo o pó de -11ºC até -2ºC a transição de primeira ordem ocorreu em torno das temperaturas -7ºC e -6,5ºC, e no resfriamento de 50ºC até 0ºC a transição de segunda ordem foi detectada na temperatura de 27ºC, ambas previstas pela literatura. Ainda para o Gd5,09Si2,03Ge1,88 foram realizadas medidas da difusividade em função da granulometria para uma série de 4 bastidores a temperatura constante de 25ºC. Cada bastidor foi preenchido com uma granulometria diferente, indo desde grãos menores que 25 µm até tamanhos entre 45 e 63 µm. Com a obtenção da difusividade térmica em função dos tamanhos de grãos constatou-se que a difusividade cresce linearmente com o aumento da granulometria. Além das técnicas experimentais é apresentado um modelo teórico para a OPC utilizando uma amostra de três camadas. O objetivo do modelo é descrever a variação do sinal fotoacústico em função da freqüência de modulação óptica para algumas amostras, como o aço 316L, o germânio, o silício, e a sílica vítrea. As considerações teóricas deste modelo inicial não levaram em conta propriedades como a resistência térmica nas interfaces entre os contatos das camadas da amostra, nem as características existentes no interior do volume de pó, como: porosidade, formato dos grãos, quantidade de fase fluida e fase sólida, e outras características que podem influenciar na propagação de calor. Tais considerações foram deixadas para serem abordadas em trabalhos futuros. As investigações realizadas sobre as propriedades térmicas de materiais em pó, bem como da liga magnetocalórica, mostraram que a técnica OPC não se limita apenas a amostras homogêneas (como filmes finos e laminados) podendo ser adaptada e aplicada com baixo custo a diferentes tipos de materiais, inclusive amostras porosas. 122 f