Desenvolvimento de um tubo de queda livre para o modelamento e otimização do processo de solidificação de ligas eutéticas de bismuto-estanho em ambiente de microgravidade
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O ambiente espacial, mais especificamente o ambiente de microgravidade, proporciona condições únicas de pesquisa, para o campo da ciência e tecnologia, nos mais variados ramos e áreas - tais como a medicina, farmácia, biologia, química, física e engenharias. Na área das engenharias e da física, a transferência de calor está fortemente presente e, em ambiente de microgravidade, alguns desses fenômenos ficam reduzidos ou até mesmo deixam de existir (como correntes convectivas, pressão hidrostática, etc.), impactando diretamente nas microestruturas dos materiais, que podem assumir características distintas de outros que sofreram algum processo sob a ação da gravidade terrestre. O tubo de queda livre, sendo um equipamento de custo financeiro reduzido quando comparado com outras formas de acesso a microgravidade, foi utilizado para solidificação de materiais em ambiente laboratorial. O objetivo principal desse trabalho é a otimização dos parâmetros de solidificação da liga eutética de bismuto-estanho (BiSn) em ambiente de microgravidade, e, é também proposto um modelo matemático, baseado em um mecanismo de convecção e de radiação, para a transferência de calor entre as gotículas e o ambiente. Para a determinação da velocidade inicial das gotas foi projetado e construído um tubo de queda livre de quartzo transparente, possibilitando a observação da formação e ejeção das gotículas. A liga eutética de bismuto-estanho foi escolhida para os ensaios deste estudo pois possui baixo ponto de fusão (139$^{o}$ C), podendo ser utilizada na indústria como elemento fusível, na confecção de moldes e por ser um possível substituto da solda branca (liga a base de chumbo), causando menos riscos para a saúde e meio ambiente.
Space environment, more specifically the microgravity environment, provides unique research conditions for the field of science and technology in a wide variety of fields and applications - such as medicine, pharmacy, biology, chemistry, physics and engineering. For engineering and physics process, heat transfer plays an important role, and in a microgravity environment, some of these phenomena are reduced or even cease to exist (convective currents, hydrostatic pressure, etc.), impacting directly in the materials microstructures, which may assume distinct characteristics from others which had been processed under the action of Earths gravity. The drop tube, a low cost apparatus if compared to other ways to access the microgravity, was used for solidification of alloys at laboratory environment. The main objective of this work is the optimization of the solidification parameters of the eutectic tin-bismuth alloy (BiSn) in a microgravity conditions, and also was proposed a mathematical model, based on a combined convection and radiation mechanism, for the heat transfer of between the droplets and the gas environment. To the determination of the initial velocity of the droplets, a transparent quartz drop tube was designed and built, allowing the observation of the formation and ejection of the droplets. The eutectic tin-bismuth alloy was chosen for this study because of low melting temperature (139$^{o}$ C), and this material can be used in industry as fuse element, manufacture of molds and as lead free solder alloy.
