A escala nanométrica dos materiais particulados e das microestruturas dosparticulados e das microestruturas dos

nanoaços

Dr. Marco A. Colosio; Engenharia de Materiais, SCS, BrasilDr William R Rodgers; GM R&D Center; Detroit EUADr. William R. Rodgers; GM R&D Center; Detroit , EUA

SumárioAplicações de nanocompósitos na indústria

automotiva

Razão para o uso de nanocompósitos

Pesquisas de nanomateriais em polímeros na GMPesquisas de nanomateriais em polímeros na GM• Polaridade da resina• Estrutura intercalante• Rigidez e razão de aspecto• Trabalhos recentes

Nanoaços• Conceito• Estudo Experimental

Conclusão

Nanomateriais

Visão da GM (R&D Center - Product Engineering)

• Alto desempenho, redução de massaAlto desempenho, redução de massa

• Compósitos poliméricos de baixa densidade

• Metais com melhores propriedades mecânicas

Vi bili ã té i• Viabilização técnica

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Nanocompósitos de olefinas termoplástica

O tamanho da carga está na escala molecular, com a referência:molecular, com a referência:

• Nanocarga = unha humana• Talco = bola de futebol de 18”

Fib d id diâ d 1 ilh

Baixa massa

Custo efetivo

• Fibra de vidro = diâmetro de 1 milha

Custo efetivo

Processo robusto

Qualidade de superfície Qualidade de supe fíciemelhorada

Este desenvolvimento ganhou prêmio pela inovação d S i f Pl i E i A ida Society of Plastics Engineers e American

Chemical Society

Primeira implementação no mundo: Estribo (Step Assist Cover) para a GMC Safari e Chevrolet Astro Vans 4

Aplicações

Nanocompósito (2004) Nanocompósito (2005)Nanocompósito (2004)Proteção lateral

Nanocompósito, ChevroletHHR: Primeiro uso no consoler (2006)

Protetor e acessório de caçamba.

HHR: Primeiro uso no consoler (2006)

5 5

Nanocompósito em polímeros

Por quê nanocompósitosPor quê nanocompósitos

Obt i ifi ti t d i d d• Obter um significativo aumento de propriedades;

• Minimizar as distorções superficiais e prover umaelevada qualidade superficial;

• Reduzir a densidade.

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Modificação de nanoargila

De hidrofílica para transição organofílica;

Reação de troca iônica;

Óti t i l t ãÓtimo material e concentração para compatibilização.

Aft K t Still d C d J l f C ti T h lAfter Kemnetz, Still, and Cody, Journal of Coatings Technology,Vol 61 No. 776, 1989

7

Processamento a coluna da interação do polímero com a argila orgânicag g

Fornes et al, Macromolecules, 37, 7698 (2004) 8

Efeito do surfactante (cadeias Alquil) na exfoliação

Nyl

on 6

naPo

liole

finP

M3(HT)1 (uma cadeia / cauda) M2(HT)2 (duas cadeias / caudas)9

Efeito da polaridade da resina

Aumento da polaridade da resina

95% PP, 0% PP-g-MA 50% PP, 45% PP-g-MA 1% PP, 94% PP-g-MA

Todas amostras contém 5% nominal de argila orgânica

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Comparação do MMT e talco em uma matriz TPO

Obter desempenho igual com menor carregamento de MMT:• Redução de massa• Redução de massa• Melhorar o acabamento da superfície• Ciclos de moldagem mais rápidos

Lee et al., Polymer, 46, 11673 (2005) 11

Aumento do módulo versus módulo da carga

Aplicação da indústria automotiva de nanocompósitos. In: Beyer, Günter, editor. Industry Guide to Nanocomposites, 1st ed. Bristol, UK: Plastics Information Direct,

2009. p. 273-308 12

Módulo aumenta em função do aspecto de razão

Filler Modulus = 40 GPa

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Automotive Industry Applications of Nanocomposites. In: Beyer, Günter, editor. Industry Guide to Nanocomposites, 1st ed. Bristol, UK: Plastics Information Direct, a division of Applied Market Information, Ltd; 2009. p. 273-308

Parâmetros de DispersãoAmostras com alto grau de dispersãoAmostras com alto grau de dispersão

Distância das inter-partículasGrau da esfoliação

Basu et al., Applied Physics Letters, 91, 053105 (2007) 14

Môdulo versus tipo de carga e concentração

A quantidade medida de esfoliação é necessária para t d t i t

After T.D. Fornes and D.R. Paul, Polymer, 44, 4993 (2003) 15

entender este sistema.

NANOAÇOS

Vantagens:

Refinamento dos grãos a níveis nanométricosVantagens:

Limites de resistência na ordem de 2500 MPa Tenacidade acima de 30 - 40 MPa m1/2 Tenacidade acima de 30 40 MPa m Elevada dureza (600 – 670 HV) Microestrutura uniforme

Baixo custo e pode ser produzido em peças de grandes dimensões.Aplicações: Eixos, engrenagens, trilhos, placas de desgaste.

Potencial para competir com os aços ligados temperados e p p ç g prevenidos (ex: SAE 4140 ou SAE 4340 e equivalentes).

Eliminação de tratamentos intermediários: Revenimento shot

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Eliminação de tratamentos intermediários: Revenimento, shot peening, alívio de tensão, etc.

Pesquisas: R i ê i f d h dResistência em função do tamanho de grão

R i tê i à t ã d hi k d f d 1 5 d i tResistência à tração de whiskers de ferro de 1,5 µm de comprimento

Bulk nanocrystalline steel; Hatfield memorial lecture; H.K.D.H.BhadeshiaIronmaking and steelmaking, Vol. 32, 2005, N5 405 - 410 17

Pesquisas: qTamanho de grão da ferrita em aços de alto manganês

Formation of Nanostructured Steels by Phase TransformationScripta Materialia, Vol. 51, 2004, 767–770 18

NANOAÇOS: AÇO NANO-BAINÍTICO

Microestrutura depois de tratamento isotérmico Mostrando as placas de ferrita, entre filmes de austenita retidaMostrando as placas de ferrita, entre filmes de austenita retida

Placas de ferrita bainítica: entre 20 a 40 nm de espessura.

CONCLUSÃOCONCLUSÃO

Qualquer material novo (nanocompósito ou nanoaço) deve superar seus rivais em mais de um campodeve superar seus rivais em mais de um campo tecnológico, antes de ser aceito.

Viabilizar economicamente estes novos produtos “Custo de novas tecnologias nuncaé aceito apenas por ser novo”é aceito apenas por ser novo .

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AUTORESDr. Marco A. Colosio: Engenharia de Materiais, GM do BrasilDr. William R. Rodgers: GM R&D Center; Detroit , EUA

Agradecimentos para:Agradecimentos para:MSc. José Carlos Santos: Engenharia de Materiais, SCS, BrasilDr. Marcelo Milan & Dr. Omar Maluf: MIB, USP-São CarlosDr. Jesualdo Rossi: Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN

Autorização para apresentação:General Motors R&D Center - EUAGeneral Motors R&D Center EUA

Engenharia de Materiais da General Motors do Brasil

OBRIGADO!21

OBRIGADO!