Marcelo de Aquino Martorano.

A utilização e consumo da energia fotovoltaica aumenta anualmente e esta energia é uma das mais importantes do sistema elétrico europeu. No Brasil houve um aumento de 44% na geração de energia fotovoltaica somente entre 2015 e 2016 e estima-se que 1,2 milhões de novos geradores fotovoltaicos serão instalados até 2024. Cerca de 90% da energia fotovoltaica consumida é obtida por painéis solares construídos com silício de grau solar mono ou policristalino. O aumento da demanda pelo silício de grau solar motivou a pesquisa por processos de menor custo e maior eficiência. Os processos baseados na purificação do silício metalúrgico estão inseridos na chamada rota metalúrgica, que é uma das mais promissoras. A solidificação direcional do silício metalúrgico para remoção de impurezas metálicas é uma das etapas mais importantes da rota metalúrgica. Durante a solidificação direcional, ocorre a macrossegregação de impurezas para uma extremidade do lingote, deixando o restante purificado, com um teor de impurezas aceitável para a produção do silício solar. O principal objetivo deste projeto é investigar o efeito da convecção forçada do silício líquido e da transferência de calor na macrossegregação de impurezas durante a solidificação direcional do silício metalúrgico. Serão realizados experimentos de solidificação direcional onde a convecção forçada será introduzida de forma controlada por meio de um disco em rotação com velocidade constante, imerso no silício líquido. Os lingotes obtidos serão caracterizados quanto à macrossegregação e macro-microestrutura. A macrossegregação de impurezas e o nível de purificação serão medidos por análise química da composição em função da distância em relação à base dos lingotes. Um modelo matemático para solidificação direcional do silício sob efeito de convecção forçada do líquido será implementado para auxiliar na investigação. Os resultados dos experimentos e do modelo matemático permitirão a identificação das variáveis importantes para a purificação e a definição de processos mais eficientes.

Este subprojeto de pesquisa está inserido no âmbito do projeto INCT denominado "PATRIA - Processamento e Aplicações de Terras-Raras para Indústria de Alta Tecnologia" e tem como objetivo principal estudar a solidificação e a modelagem matemática da solidificação de ligas do sistema Nd-Fe-B no processo de lingotamento de tiras ("strip-casting"), comumente utilizado na produção de imãs. Entre os objetivos específicos do presente subprojeto, está o estudo experimental da relação entre as variáveis de processamento típicas do lingotamento de tiras, como a vazão de metal líquido e velocidade de rotação do rolo refrigerado, e a macro e microestrutura das ligas do sistema Nd-Fe-B brutas de solidificação obtidas neste processo. Será ainda desenvolvido um modelo matemático para simular a solidificação destas ligas no processo de lingotamento de tiras, incluindo aspectos como a microssegregação de elementos e o crescimento das fases formadas.

As ligas de cobre têm grande importância na fabricação de produtos metálicos que necessitam de uma boa resistência à corrosão e/ou alta condutividade térmica e elétrica. A estrutura de grãos bruta de solidificação destas ligas tem estreita relação com as propriedades requeridas em serviço ou para a conformação mecânica. O refino desta estrutura de grãos pode ser realizado a partir da inoculação do banho metálico antes do início da solidificação, aumentando o número de núcleos formados no líquido. Este projeto de pesquisa tem como principal objetivo identificar os mecanismos fundamentais de inoculação e refino de grão em ligas de Cu. A identificação destes mecanismos será estudada por meio de técnicas de análise térmica, técnicas espectrométricas de microanálise e técnicas metalográficas combinadas à microscopia óptica e eletrônica. Os resultados e conclusões obtidos no projeto podem auxiliar no projeto de inoculantes para ligas de cobre.

A modelagem matemática da segregação de soluto na solidificação de ligas metálicas tem recebido grande atenção nas últimas décadas. Esta segregação decorre da redistribuição de soluto que ocorre durante a solidificação. Quando esta redistribuição causa uma diferença composicional na escala macroscópica, tem-se a chamada macrossegregação. Durante a solidificação dendrítica, a macrossegregação tem origem na zona pastosa e resulta do escoamento do líquido interdendrítico. As heterogeneidades causadas pela macrossegregação de soluto acabam afetando negativamente as propriedades mecânicas, como por exemplo, as propriedades tribológicas das ligas do sistema Al-Sn. Estas ligas caracterizam-se por uma miscibilidade extremamente reduzida do Sn no Al, tornando-as propícias ao surgimento de uma macrossegregação acentuada. No entanto, a formação da macrossegregação foi pouco estudada nestas ligas. Neste projeto de pesquisa pretende-se desenvolver um modelo matemático para prever a formação da macrossegregação nas ligas do sistema Al-Sn. Este modelo será baseado nas equações macroscópicas de conservação de massa, quantidade de movimento, energia e espécies químicas, que serão solucionadas por métodos numéricos. Simultaneamente, através de solidificação unidirecional, serão obtidos lingotes das ligas Al-Sn e estes serão caracterizados quanto à macrossegregação de Sn. Resultados experimentais serão comparados com os resultados do modelo matemático proposto para permitir a sua validação.

O Laboratório de Análises Térmicas do PMT EPUSP possui atualmente alguns equipamentos de análise térmica convencional. A maior parte destes equipamentos encontra-se operacional. Os equipamentos solicitados no projeto de Equipamentos Multiusuários visam modernizar e complementar de forma significativa as capacidades analíticas do laboratório, adquirindo equipamentos mais sensíveis e mais precisos e com capacidades complementares aos atuais. O Laboratório Multiusuário terá essencialmente equipamentos de caracterização do comportamento térmico de materiais (DTA, DSC e TGA) complementado por análises químicas dos componentes e dos gases emitidos durante o processo térmico (ICP e Espectrofotômetro de Massa). Este projeto de Equipamentos Multiusuários envolve equipes da USP, Unicamp, UFABC, IPT e Universidade Mackenzie, sendo que a maior parte é do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Escola Politécnica. O projeto reúne pesquisadores das áreas de materiais metálicos, poliméricos e cerâmicos com pesquisas que envolvem análises microestruturais, propriedades, processamento, bem como aspectos ambientais relacionados ao tratamento de resíduos e a reciclagem de materiais. Portanto, a equipe envolvida no projeto tem espectro bastante extenso, o que tornará muito rico para o estado o aproveitamento dos Equipamentos Multiusuários solicitados.

O presente projeto de pesquisa foi apoiado pela FAPESP através da concessão de um auxílio do tipo Jovem Pesquisador e tem como principal objetivo geral a nucleação de um grupo de pesquisa em modelagem matemático no processamento de materiais. Entretanto, o projeto possui como objetivo específico o desenvolvimento de um modelo matemático para a previsão da macrossegregação, da distribuição de tamanhos de grão equiaxial e da transição colunar-equiaxial em situações de crescimento isotérmico, unidirecional e bidirecional na solidificação de ligas metálicas. O projeto também envolve a validação experimental dos modelos construído através da comparação com resultados obtidos em diversos experimentos de solidificação. Espera-se com os resultados, melhorar o entendimento de como a convecção natural do líquido e a movimentação das dendritas equiaxiais afetam a macrossegregação e a macroestrutura bruta de solidificação.

O presente projeto de pesquisa foi apoiado financeiramente pela FAPESP através de um auxílio à pesquisa e pelo Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT) através da concessão de uma bolsa de estudos para mestrado inserida no programa "Novos Talentos". Visando o refino do silício, no projeto propõe-se o estudo detalhado da solidificação direcional, que é uma das etapas utilizadas em todas as rotas alternativas atualmente estudadas com o objetivo de purificação. Esta etapa tem o principal objetivo de refinar o silício até níveis de impurezas compatíveis com o chamado silício de grau solar. No estudo, serão examinados os efeitos de algumas cariáveis de processamento, como a composição inicial do silício e a velocidade de solidificação. Através do estudo, pretende-se determinar tanto aspectos fundamentais relativos aos mecanismos de transporte de massa de impurezas durante a solidificação, como aspectos tecnológicos importantes para se explorar ao máximo a capacidade de refino da solidificação direcional.

Parte deste projeto de pesquisa foi financiado pelo CNPq através da concessão de uma bolsa de estudo de pós-doutorado no exterior. O projeto foi executado na The University of Iowa, Iowa City, Estados Unidos da América, sob a supervisão do Prof. Christoph Beckermann. O objetivo principal foi o de adquirir a capacidade para realizar pesquisa no campo da modelagem matemática de efeitos fluidodinâmicos na solidificação de ligas metálicas. Com este objetivo, foi implementado e testado um modelo matemático para a previsão da transição colunar-equiaxial durante a solidificação de ligas binárias sob o efeito da convecção natural do líquido, induzida por gradientes de temperatura e concentração, e da movimentação de dendritas equiaxiais.

Este projeto de pesquisa foi financiado pela FAPESP através da concessão de uma bolsa de estudo de pós-doutorado no exterior. O projeto foi executado na The University of Iowa, Iowa City, Estados Unidos da América, sob a supervisão do Prof. Christoph Beckermann. O objetivo principal foi o de adquirir a capacidade para realizar pesquisa no campo da modelagem matemática de efeitos fluidodinâmicos na solidificação de ligas metálicas. Com este objetivo, foi implementado e testado um modelo matemático para a previsão da transição colunar-equiaxial durante a solidificação de ligas binárias sob o efeito da convecção natural do líquido, induzida por gradientes de temperatura e concentração, e da movimentação de dendritas equiaxiais.

Amostras da liga peritética Cu-10%Sn foram submetidas a várias taxas de resfriamento freqüentemente observadas em processos industriais de fundição. As amostras foram caracterizadas medindo-se a distribuição de espaçamento entre braços secundários de dendrita e dois índices de microssegregação, a saber, a fração volumétrica de não-equilíbrio de fases secundárias e o parâmetro de desvio de segregação. Estes índices foram calculados a partir de um grande número de microanálises em pontos aleatórios da amostra. Uma tendência de aumento da microssegregação com o aumento da taxa de resfriamento foi observada. Os resultados experimentais de microssegregação foram comparados com resultados de um modelo matemático que empregava diferentes equações para o coalescimento de braços secundários de dendrita. A comparação com os dados experimentais indicou que os cálculos são mais precisos quando uma equação empírica para o coalescimento de braços secundários é usada em lugar de equações baseadas em modelos fundamentais.