Análise experimental comparativa dos parâmetros de fabricação de filmes finos a base de Cr e Mo com uma composição gradual de Si para aplicações em absorvedores solares seletivos
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/25523 |
Resumo: | The use of solar energy for application in solar thermal heating systems has grown exponentially due to the inclusion of renewable sources in the traditional energy matrix. From this perspective, one of the research strands aims to improve the efficiency of these systems through the optimization of solar collectors. In this work, the objective is to optimize the process of obtaining selective surfaces for solar collectors, comparing the optical parameters of coatings based on Cr and Mo with a gradual layer of Si manufactured by the sputtering technique (Magnetron Sputtering). with different deposition parameters. The coatings were deposited on AISI 304 stainless steel substrates with two types of treatment (hexane cleaning and electropolishing) and four different compositions: Mo, Cr, Mo + Si and Cr + Si formed from three different times (10, 20 and 30 min) of sputtering, totaling 24 samples produced in triplicate. The coatings were submitted to Optical Profiling, UV-Vis-NIR Spectrophotometry, Fourier Transform Infrared Spectrophotometry (FTIR), X-Ray Excited Photoelectron Spectroscopy (XPS), one-way statistical analysis of variance (ANOVA) and electrochemical corrosion. The results indicated that the Magnetron Sputtering deposition technique is effective in the production of thin films with extreme uniformity and reproducibility, the deposition time, the type of material and the treatment affect the absorption performance of the film. All films produced showed high values of mean solar absorbance (above 87%) to be considered Selective Solar Surfaces (85%). The electropolishing treatment showed the lowest standard deviation in film production (between 0.7 – 2.0) with absorption results above 95%. The Cr + Si and Mo + Si films, on electropolished substrates, obtained with 20 minutes of spraying obtained the best absorption performance with 98.7% and 98.4%, respectively. Through the Profilometry analysis, it can be observed that the less rough surfaces favored the absorbing property of the films and the morphological profiles showed very uniform surfaces with thickness in the order of micrometers. Through FTIR and XPS analysis, it was possible to identify the oxidation of the film-forming compounds. The analysis of variance highlighted that the substrate treatment is the most statistically significant factor for absorbance and roughness, while the deposition time affects the thickness of the films. The corrosive test showed that the Cr and Cr/Si films showed higher polarization resistivities. The Cr/Si film with 20 minutes of deposition on electropolished substrate presents the best configuration for selective solar surfaces. |
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Análise experimental comparativa dos parâmetros de fabricação de filmes finos a base de Cr e Mo com uma composição gradual de Si para aplicações em absorvedores solares seletivosSuperfície solar seletivaMagnetron sputteringCromoSilício e molibdênioSelective solar surfaceMagnetron sputteringChromiumSilicon and molybdenumCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICAThe use of solar energy for application in solar thermal heating systems has grown exponentially due to the inclusion of renewable sources in the traditional energy matrix. From this perspective, one of the research strands aims to improve the efficiency of these systems through the optimization of solar collectors. In this work, the objective is to optimize the process of obtaining selective surfaces for solar collectors, comparing the optical parameters of coatings based on Cr and Mo with a gradual layer of Si manufactured by the sputtering technique (Magnetron Sputtering). with different deposition parameters. The coatings were deposited on AISI 304 stainless steel substrates with two types of treatment (hexane cleaning and electropolishing) and four different compositions: Mo, Cr, Mo + Si and Cr + Si formed from three different times (10, 20 and 30 min) of sputtering, totaling 24 samples produced in triplicate. The coatings were submitted to Optical Profiling, UV-Vis-NIR Spectrophotometry, Fourier Transform Infrared Spectrophotometry (FTIR), X-Ray Excited Photoelectron Spectroscopy (XPS), one-way statistical analysis of variance (ANOVA) and electrochemical corrosion. The results indicated that the Magnetron Sputtering deposition technique is effective in the production of thin films with extreme uniformity and reproducibility, the deposition time, the type of material and the treatment affect the absorption performance of the film. All films produced showed high values of mean solar absorbance (above 87%) to be considered Selective Solar Surfaces (85%). The electropolishing treatment showed the lowest standard deviation in film production (between 0.7 – 2.0) with absorption results above 95%. The Cr + Si and Mo + Si films, on electropolished substrates, obtained with 20 minutes of spraying obtained the best absorption performance with 98.7% and 98.4%, respectively. Through the Profilometry analysis, it can be observed that the less rough surfaces favored the absorbing property of the films and the morphological profiles showed very uniform surfaces with thickness in the order of micrometers. Through FTIR and XPS analysis, it was possible to identify the oxidation of the film-forming compounds. The analysis of variance highlighted that the substrate treatment is the most statistically significant factor for absorbance and roughness, while the deposition time affects the thickness of the films. The corrosive test showed that the Cr and Cr/Si films showed higher polarization resistivities. The Cr/Si film with 20 minutes of deposition on electropolished substrate presents the best configuration for selective solar surfaces.NenhumaO aproveitamento da energia solar para aplicação em sistemas de aquecimento termosolar cresceu exponencialmente dado a inclusão das fontes renováveis na matriz energética tradicional. Mediante essa perspectiva, uma das vertentes de pesquisa visa a melhoria da eficiência desses sistemas através da otimização dos coletores solares. Neste trabalho, objetiva-se a otimização do processo de obtenção de superfícies seletivas para os coletores solares, comparando-se os parâmetros ópticos de revestimentos a base de Cr e Mo com uma camada gradual de Si fabricados pela técnica de pulverização catódica (Magnetron Sputtering) com diferentes parâmetros de deposição. Os revestimentos foram depositados em substratos de aço inoxidável AISI 304 com dois tipos de tratamento (limpeza com hexano e eletropolimento) e quatro composições distintas: Mo, Cr, Mo + Si e Cr + Si formados a partir de três tempos diferentes (10, 20 e 30 min) de pulverização, totalizando 24 amostras produzidas em triplicata. Os revestimentos foram submetidos a análises de Perfilometria Óptica, Espectrofotometria UV-Vis-NIR, Espectrofotometria de Infravermelho por Transformada de Fourier (FTIR), Espectroscopia de fotoelétrons excitados por Raios-X (XPS), análise de variância estatística unidirecional (ANOVA) e ensaio de corrosão eletroquímica. Os resultados indicaram que a técnica de deposição por Magnetron Sputering é eficaz na produção de filmes finos com extrema uniformidade e reprodutibilidade, o tempo de deposição, o tipo de material e o tratamento afetam a performance de absorção do filme. Todos os filmes produzidos apresentaram altos valores de absortância média solar (acima de 87%) para serem considerados Superfícies Solar Seletivas (85%). O tratamento de eletropolimento apresentou o menor desvio padrão na produção dos filmes (entre 0,7 – 2,0) com resultados de absorção acima de 95%. Os filmes de Cr + Si e Mo + Si, sobre substratos eletropolidos, obtidos com 20 minutos de pulverização obtiveram a melhor performance de absorção com 98,7% e 98,4%, respectivamente. Pela análise da Perfilometria, pode-se observar que as superfícies menos rugosas favoreceram a propriedade absorvedora dos filmes e os perfis morfológicos mostraram superfícies bastante uniformes com espessura na ordem de micrometros. Através da análise de FTIR e XPS foi possível identificar a oxidação dos compostos formadores dos filmes. A análise de variância destacou que o tratamento do substrato é o fator com maior relevância estatística para absortância e rugosidade, enquanto o tempo de deposição afeta a espessura dos filmes. O ensaio corrosivo demonstrou que os filmes de Cr e Cr/Si apresentaram maiores resistências a polarização. O filme de Cr/Si com 20 minutos de deposição, sobre substrato eletropolido apresenta a melhor configuração para superfícies solares seletivas.Universidade Federal da ParaíbaBrasilEngenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUFPBGomes, Kelly Cristianehttp://lattes.cnpq.br/0678485152961068Venâncio, Raissa2022-11-28T18:58:42Z2022-07-032022-11-28T18:58:42Z2022-04-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/25523porAttribution-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2023-05-22T17:20:03Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/25523Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2023-05-22T17:20:03Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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