Estudo paramétrico da interação do laser pulsado de nanossegundos com carbono

May 12, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 2048 (2023) Citar este artigo

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Uma técnica de processamento a laser é proposta para o processamento de uma placa bipolar composta de nanotubo de carbono (CNT) de 2,5 mm de espessura para células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFCs). Este estudo tem como objetivo compreender experimentalmente a interação do laser com a placa composta de CNT usando um laser pulsado de nanossegundos. Profundidade de penetração, largura superior, largura de respingos e morfologias físicas gerais são estudadas. Microscópio eletrônico de varredura (MEV) e microscópio confocal de varredura 3D foram utilizados para observação e medições. Com base nisso, uma investigação paramétrica é conduzida e relatada de forma sistemática. Mais importante ainda, a taxa de repetição de pulso apresenta uma natureza única de interação que resultou em uma taxa de repetição crítica que distingue três regimes operacionais. As propriedades físicas e químicas dos regimes são analisadas posteriormente por testes de microdureza Vickers e análises de energia dispersiva de raios X (EDX) realizadas na superfície e na seção transversal de cada amostra. Os resultados revelam que a taxa de repetição do pulso introduz alterações nas propriedades mecânicas e nas composições químicas nas proximidades da região processada. Concluindo, menor repetição de pulso deve ser favorecida para menor impacto nas propriedades mecânicas, composição química e aspectos morfológicos.

Os nanotubos de carbono (CNTs) possuem propriedades mecânicas notavelmente excelentes (módulo de elasticidade e resistência à tração) e condutividades elétricas e térmicas superiores, tornando-os materiais condutores rígidos e fortes com baixo peso em comparação com o aço e outros materiais estruturais1. Isto estimulou muita atenção na sociedade avançada de compósitos em seu uso como materiais de reforço para o avanço de materiais compósitos2. Esses compósitos estão sendo usados ​​para diversas aplicações em sistemas vestíveis (têxteis inteligentes), robótica e dispositivos eletrônicos de próxima geração e sistemas de conversão de energia3,4,5. Além das notáveis ​​propriedades mecânicas, elétricas e térmicas, os CNTs possuem altas relações superfície-volume resultantes de seus pequenos diâmetros, que são da ordem de poucos nanômetros. Isto criou uma grande oportunidade para os compósitos CNT, particularmente em baterias e dispositivos de conversão de energia, onde o aumento da área de superfície de contato efetiva dos eletrodos por volume desempenha um papel significativo na eficiência da conversão de energia . Os CNTs são identificados como aplicação potencialmente útil em sistemas de baterias de íons de lítio, células de combustível e células solares9,10,11. Um compósito CNT com uma nanopartícula metálica como eletrodo dobra o desempenho das células a combustível de hidrogênio devido ao aumento da atividade catalítica dos eletrodos baseados em nanotubos de carbono . Outros estudos apontaram a relevância e aplicações dos CNTs em baterias de íon-lítio14, filmes condutores elásticos e transparentes15 e monitores de tela plana16.

Seguindo a crescente demanda e aplicabilidade dos CNTs em vários campos tecnológicos, o desenvolvimento de processos de fabricação eficazes é vital para o processamento de compósitos CNT no tamanho, formato e qualidade desejados. Qualquer método de fabricação selecionado para o processamento de compósitos de CNT deve garantir danos mínimos à estrutura do CNT que possam resultar de pressão, calor ou reação química com o material da matriz. Processos convencionais como usinagem e moldagem estão associados a certas desvantagens. Como os CNTs possuem alta resistência e dureza, os métodos convencionais de usinagem causariam desgaste intensivo da ferramenta, reduzindo a vida útil da ferramenta e aumentando o custo de produção . O alinhamento dos CNTs em compósitos moldados é significativamente afetado pelo fluxo de cisalhamento no processo de moldagem, levando a alterações indesejadas em suas estruturas e propriedades .

Os avanços contínuos no desempenho dos lasers durante as últimas décadas melhoraram sua capacidade em vários campos, incluindo energia, biotecnologia, eletrônica e engenharia mecânica19. No corte de compósitos poliméricos, os lasers oferecem diversas vantagens, incluindo altas velocidades de produção sem deficiências associadas ao desgaste e vibração da ferramenta20,21. Os lasers são especificamente vantajosos no processamento de materiais difíceis de usinar, como compósitos de fibra de carbono e compósitos de grafite, devido à sua fragilidade e dureza.