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Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2020. Perdas por atrito e desgaste tem um grande impacto econômico e ambiental em escala global, pois estima-se que 23% de todo o consumo de energia é realizado por contatos tribológicos. A aplicação de soluções mais eficientes para a redução dessas perdas é necessária, com potencial de reduzir o impacto em até 40% em 15 anos se as novas tecnologias de superfície, materiais e lubrificação forem absorvidas pela indústria. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um novo método de síntese de carbono nanoestruturado derivado de carbetos precursores para aplicações tribológicas. A partir de cálculos de diagramas de fases foi definido o sistema carbeto de boro e carbeto de cromo, cuja reação no estado sólido promove a formação de grande quantidade de fases de carbono (aproximadamente 15% em massa). O processo desenvolvido consistiu na reação no estado sólido entre os carbetos precursores seguida de uma etapa de extração química com ácido clorídrico. A partir desse processo foi possível obter praticamente todo o carbono presente no sistema. Os resultados mostraram que os materiais sintetizados em temperaturas abaixo de 1200 °C apresentaram contaminação devido a reação incompleta entre os reagentes. Já materiais sintetizados em temperaturas superiores a 1200 °C apresentaram maior pureza, pois a reação foi completa. O material resultante após a extração química é composto por carbono nanoestruturado com estrutura lamelar do tipo 2D turbostrática. A temperatura de reação tem grande influência na nanoestrutura do carbono, influenciando simultaneamente a cristalinidade, a densidade de defeitos e a área específica de superfície. Os materiais obtidos foram capazes de reduzir o atrito e desgaste a seco de sistemas tribológicos, sendo que foram obtidas taxas de degaste até 70 % menores que a do mesmo sistema com um grafite 3D cristalino. Além disso, resultados preliminares também mostraram que os materiais desenvolvidos apresentam potencial de aplicação como aditivo de óleo lubrificante, por possuir estabilidade em óleos poliolester de até 1 ano em suspensão, muito superior aos materiais utilizados como referência. Abstract: This work aimed to develop a new synthesis method of nanostructured carbide-derived carbon for tribological applications. Based on phase diagram calculations, the system boron carbide-chromium carbide was defined, whose reaction in the solid state promotes the formation of a large amount of carbon phases (approximately 30 mol% of carbon). The developed process consists of the solid-state reaction between the carbides followed by a chemical extraction step with hydrochloric acid. From this process, it was possible to obtain practically all the carbon present in the system. The results showed that the materials synthesized at temperatures below 1200 °C presented contamination due to incomplete reaction between the reagents. Materials synthesized at temperatures above 1200 ° C, however, presented greater purity, since the reaction was complete in this case. The resulting material after chemical extraction is composed of nanostructured carbon with a 2D turbostratic structure. The reaction temperatures have a great influence on the carbon nanostructure, simultaneously influencing the crystallinity, the density of point and edge defects and the specific surface area (up to ~ 3x greater than that of a multilayer graphene). The materials obtained were able to reduce the friction and wear of tribological systems, with wear rates up to 60% lower than that of the same system with a crystalline 3D graphite. In addition, preliminary results also showed that the developed materials have potential for application as a lubricant oil additive, as it has much higher stability in certain oils than 3D graphite or multilayer graphene.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2016. Materiais sinterizados estão se tornando cada vez mais importantes porque suas microestruturas podem ser facilmente controladas e adaptadas, possibilitando o desenvolvimento de materiais com propriedades particulares projetadas para cada aplicação específica. A microestrutura final pode ser alcançada através de reações ?in situ? durante a sinterização, que evoluem em direção ao equilíbrio termodinâmico. Portanto, conhecer o equilíbrio final e a cinética são imprescindíveis para predizer as reações que podem ocorrer durante a sinterização. Com a evolução computacional das últimas décadas, foram desenvolvidos os softwares comerciais Thermo-Calc® e DICTRA® que permitem simular condições de termodinâmica e de cinética e com isso reduzir o número de experimentos para se alcançar a microestrutura desejada. Este trabalho tem como objetivo avaliar a aplicação destes softwares para estudar reações durante a sinterização. Na primeira etapa foram desenvolvidos pares de difusão de Fe/Ni e Fe-3%Si/Ni produzidos por duas rotas, sendo a primeira por dupla compactação de dois pós metálicos seguida de co-sinterização (amostras co-sinterizadas) e a segunda pela união de dois materiais já sinterizados seguida de tratamento térmico (amostras de referência). Após os tratamentos térmicos as composições químicas nas zonas de interdifusão foram avaliadas e comparadas com as simulações do DICTRA® e Thermo-Calc®. Os resultados mostraram que as simulações e os resultados experimentais apresentaram as mesmas tendências. As espessuras das zonas de interdifusão foram maiores nas amostras co-sinterizadas devido a ativação de mecanismos de difusão típicos da metalurgia do pó. As curvas dos perfis de difusão das amostras de referência apresentaram melhor ajuste as simuladas, pois as características destas amostras se assemelham mais ao modelo utilizado pelo DICTRA®. Na segunda etapa, para estudar as reações que ocorreram nas zonas de interdifusão dos pares, foram produzidas novas amostras compostas pela mistura volumétrica dos pós seguidas de sinterização. Os resultados mostraram que durante a interdifusão dos elementos ocorre a geração de porosidade difusional devido a diferença dos coeficientes de difusão dos elementos, as fases formadas durante a sinterização foram as previstas pelo Thermo-Calc®. Os resultados mostraram que os softwares podem se tornar ferramentas valiosas para o desenvolvimento de materiais sinterizados. Abstract: Sintered materials are becoming increasingly important because their microstructure can easily be controlled and tailored. Thus, materials with particular properties designed for each specific application can be developed. The final microstructure can be obtained through reactions "in-situ" during sintering, which occurs in the direction towards the thermodynamic equilibrium. Therefore, knowledge about the final equilibrium and kinetics are essential to predict reactions that may occur during sintering. Computational thermodynamics had a rapid evolution in the last two decades, the commercial software Thermo-Calc® and DICTRA® can simulate thermodynamic and kinetic conditions and thereby reduce the number of experiments required to achieve the desired microstructure. This study aims to evaluate the application of these software to study reactions during sintering. In the first step, the diffusion couple?s Fe/Ni and Fe-3%Si/Ni were produced by two different routes, the first route by double pressing metallic powders followed by co-sintering (co-sintered samples) and the second route by joining two materials already sintered followed by annealing (reference samples). After the heat treatments, the chemical compositions in the interdiffusion zones were assessed and compared with simulations. The results showed that simulations and experimental results presented the same tendencies. The interdiffusion zones were broader in co-sintered samples due to activation of diffusion mechanisms typical from powder metallurgy. The interdiffusion profiles of the reference samples showed better fitting with simulated ones because the characteristics of these samples are more similar to the model used by DICTRA®. In the second step, to study the reactions that occurred in the interdiffusion zones, new samples composed by volumetric mixture of the powders were prepared and sintered. The results showed that diffusional porosity were generated during sintering cause by the different diffusion coefficients of the elements. The phase formed during sintering was the same predicted by Thermo-Calc®. The results showed that both software can become a valuable tools for the development of sintered materials.