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https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/17606
Tipo: | Dissertação |
Data do documento: | 25-Jun-2025 |
Autor(es): | SILVA, Alberto Solary da |
Primeiro(a) Orientador(a): | REIS, Marcos Allan Leite dos |
Primeiro(a) coorientador(a): | SOUSA, Mário Edson Santos de |
Título: | Eletrodeposição pulsada e caracterização de revestimentos de cobre/nanotubos de carbono em ligas de alumínio 3003 e 1350 |
Agência de fomento: | CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico |
Citar como: | SILVA, Alberto Solary. Eletrodeposição pulsada e caracterização de revestimentos de cobre/nanotubos de carbono em ligas de alumínio 3003 e 1350. Orientador: Marcos Allan Leite dos Reis. 2025. 147 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Campus Universitário de Ananindeua, Universidade Federal do Pará, Ananindeua, 2025. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/17606. Acesso em:. |
Resumo: | A demanda por sistemas elétricos mais eficientes e sustentáveis tem impulsionado a pesquisa na busca por materiais inovadores que aprimorem as propriedades dos condutores elétricos. O alumínio (Al) e suas ligas são amplamente utilizados na transmissão e distribuição de energia elétrica devido à sua baixa densidade e boa condutividade elétrica. A busca por melhorias nas propriedades elétricas tem levado ao desenvolvimento de revestimentos que aumentem a condutividade sem comprometer a leveza do material. Este trabalho apresenta um estudo sobre a anodização de substratos de Al como preparação para revestimentos nanoestruturados aliado à eletrodeposição por corrente pulsada de nanocompósito baseado em cobre (Cu) e nanotubos de carbono de paredes múltiplas (NTCPM), com foco nas propriedades elétricas correlacionadas com a microestrutura. Experimentos foram realizados em chapas de Al liga 3003, em fios e em cabos de Al liga 1350. Parâmetros otimizados para a anodização foram obtidos utilizando concentração de 100% de H2SO4, corrente contínua de 3 A e 10 V aplicada durante 2 h. Na eletrodeposição por corrente pulsada aplicou-se concentração de NTCPM de 1 mg/mL, ciclo de trabalho (γ) de 80%, 2 A e 10 V durante 1 h. Micrografias obtidas por Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo (MEV-FEG) verificaram a formação de camada de óxido de alumínio (Al2O3) porosa e uniforme, fundamental para a aderência do revestimento, assim como evidenciou a homogênea e eficaz distribuição do revestimento do nanocompósito sobre a superfície anodizada. A caracterização por Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) confirmou a presença dos elementos Cu e carbono (C) distribuídos na camada de revestimento. Através da espectroscopia Raman foram identificados modos vibracionais característicos dos NTCPM, as bandas D, G e G’, analisando variações de intensidade e largura de banda resultantes das modificações estruturais promovidas pela eletrodeposição. A Difração de Raios X (DRX) identificou as fases cristalinas presentes no revestimento, além de evidenciar alterações estruturais provocadas pelo tratamento superficial, mostrando a integração do nanocompósito ao substrato metálico. Testes de condutividade elétrica foram realizados utilizando a técnica ponte de Kelvin, antes e depois do revestimento, demonstrando um aumento significativo na condutividade elétrica (σ), evidenciando a melhoria na eficiência do transporte de carga devido à sinergia entre o Cu e os NTCPM. Entre os resultados, se destaca a elevação de ⁓ 52,33% na condutividade elétrica superficial (σs) das chapas e um aumento de IACS de 67,76% para ⁓ 73,5% nos fios tratados. De modo semelhante, também se destaca a queda no valor médio de resistência do cabo revestido que mudou de 4,88x10-4 Ω para 1,934x10-4 Ω em comparação ao cabo sem revestimento, diferença de ⁓ 60,37%. Análises estatísticas foram realizadas corroborando os resultados e concluindo que foram estatisticamente significativos. Cálculos de dissipação Joule e ampacidade confirmaram o desempenho superior do material revestido e seu potencial de aplicação em sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica. Assim, esses resultados confirmam que o revestimento de Cu-NTCPM por eletrodeposição com corrente pulsada em superfícies anodizadas, uma abordagem encorajadora para a melhoria das propriedades elétricas de condutores de Al. |
Abstract: | The demand for more efficient and sustainable electrical systems has driven research toward innovative materials that enhance the properties of electrical conductors. Aluminum (Al) and its alloys are widely used in power transmission and distribution due to their low density and good electrical conductivity. The pursuit of improved electrical properties has led to the development of coatings that increase conductivity without compromising the lightweight nature of the material. This study presents an investigation into the anodization of Al substrates as a preparation step for nanostructured coatings, combined with pulsed current electrodeposition of a copper (Cu) and multi-walled carbon nanotube (MWCNT)-based nanocomposite, focusing on the correlation between electrical properties and microstructure. Experiments were conducted on Al 3003 alloy sheets, and on wires and cables made from Al 1350 alloy. Optimized anodization parameters were established using 100% H₂SO₄, direct current of 3 A, and 10 V applied for 2 hours. For the pulsed current electrodeposition, a concentration of 1 mg/mL of MWCNTs, an 80% duty cycle, 2 A, and 10 V were applied for 1 hour. Field Emission Gun Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM) micrographs confirmed the formation of a uniform and porous aluminum oxide (Al₂O₃) layer, essential for coating adhesion, and revealed the homogeneous and effective distribution of the nanocomposite over the anodized surface. Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) verified the presence of Cu and carbon (C) elements distributed throughout the coating layer. Raman spectroscopy identified characteristic vibrational modes of MWCNTs: D, G, and G′ bands, showing variations in intensity and bandwidth due to structural modifications induced by electrodeposition. X-ray Diffraction (XRD) analysis revealed the crystalline phases present in the coating and structural changes resulting from the surface treatment, confirming the integration of the nanocomposite into the metallic substrate. Electrical conductivity tests using the four-point Kelvin probe method, before and after coating, demonstrated a significant increase in electrical conductivity (σ), indicating improved charge transport efficiency due to the synergy between Cu and MWCNTs. Among the results, a ∼ 52.33% increase in surface electrical conductivity (σₛ) of the Al sheets and an increase in IACS from 67.76% to ∼ 73.5% in the coated wires stood out. Similarly, the average resistance of the coated cable decreased from 4.88×10⁻⁴ Ω to 1.934×10⁻⁴ Ω, a reduction of ∼ 60.37% compared to the uncoated cable. Statistical analyses supported these findings and confirmed their significance. Joule heat dissipation and ampacity calculations confirmed the superior performance of the coated material and its potential for application in power transmission and distribution systems. Therefore, the Cu-MWCNT nanocomposite coating obtained via pulsed current electrodeposition on anodized surfaces represents a promising approach for improving the electrical properties of Al-based conductors. |
Palavras-chave: | Anodização Ampacidade Alumínio Cobre Cndutividade elétrica Eletrodeposição pulsada Nanotubos de carbono Anodization Ampacity Aluminum Electric conductvity Carbon nanotubes Copper Pulsed electrodeposition |
Área de Concentração: | CARACTERIZAÇÃO, DESENVOLVIMENTO E APLICAÇÃO DE MATERIAIS |
Linha de Pesquisa: | MATERIAIS NANOESTRUTURADOS |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::METALURGIA FISICA::TRANSFORMACAO DE FASES |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade Federal do Pará |
Sigla da Instituição: | UFPA |
Instituto: | Campus Universitário de Ananindeua |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil |
Fonte: | Disponível na internet via correio eletrônico: bbca@ufpa.br |
Aparece nas coleções: | Dissertações em Ciência e Engenharia de Materiais (Mestrado) - PPGCEM/Ananindeua |
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