BR112020010005A2

BR112020010005A2 - método para unir dois componentes, e, método sem contato para unir dois componentes.

Info

Publication number: BR112020010005A2
Application number: BR112020010005-6A
Authority: BR
Inventors: Charles Brandon SWEENEY; Micah J. Green
Original assignee: The Texas A&M University System
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-11-03
Also published as: EP3713746A4; WO2019104216A1; US20200317957A1; JP7507685B2; CN111819067A; KR20200097733A; EP3713746A1; JP2021504890A

Abstract

Um método sem contato para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido inclui aplicar o adesivo termorrígido a pelo menos um primeiro componente dos dois componentes. O adesivo termorrígido inclui um susceptor para reagir na presença de um campo eletromagnético. O método inclui colocar o primeiro componente e um segundo componente dos dois componentes em proximidade a um campo eletromagnético. Em alguns aspectos, o método inclui colocar o primeiro e segundo componentes em proximidade a um campo eletromagnético de um capacitor. O susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo. Em alguns aspectos, um método de aquecimento por contato direto do adesivo termorrígido inclui afixar eletrodos a uma película compreendendo o adesivo. Os componentes sendo unidos juntos não são aquecidos diretamente pelo campo eletromagnético e, como um resultado, experimenta temperaturas muito inferiores do que o adesivo termorrígido.

Description

1 / 29 MÉTODO PARA UNIR DOIS COMPONENTES, E, MÉTODO SEM

CONTATO PARA UNIR DOIS COMPONENTES REFERÊNCIA CRUZADA COM PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Esse pedido reivindica o benefício de prioridade para e incorpora por referência a descrição inteira do Pedido de Patente Provisório U.S Nº 62/589.298 depositado em 21 de novembro de 2017.

DECLARAÇÃO RELATIVA A PESQUISA OU DESENVOLVIMENTO PATROCINADO PELO GOVERNO FEDERAL

[002] Esta invenção foi feita com suporte do governo sob Concessão Nº CMMI-1561988 conferido pela Fundação Nacional da Ciência. O governo tem certos direitos na invenção.

FUNDAMENTOS

[003] Essa seção provê informações de base para facilitar um melhor entendimento dos vários aspectos da descrição. Deve-se entender que as declarações nessa seção desse documento devem ser lidas nessa luz, e não como admissões da técnica anterior.

[004] O aquecimento Joule de materiais nanocompósitos resultou em muitas aplicações únicas para processamento de material, incluindo cura embutida de compósitos, elementos de aquecimento embutidos para aplicações de degelo, e soldagem localizada de peças impressas em 3D. Até agora, a maioria dos trabalhos focou no aquecimento por corrente contínua (CC) ou aquecimento por micro-ondas de materiais nanocompósitos eletricamente condutores. As indústrias de manufatura precisam de um equivalente à base de adesivo de soldagem por ponto onde as peças são unidas quase instantaneamente.

[005] Métodos foram usados para curar polímeros termorrígidos carregados com nanomateriais condutores usando energia de micro-ondas como uma fonte eletromagnética. No entanto, métodos anteriores falharam em unir duas peças condutoras porque as peças condutoras refletem a energia

2 / 29 de micro-ondas usada para aquecer o adesivo termorrígido.

SUMÁRIO

[006] Em modalidades exemplificativas, são descritos sistemas e métodos de uso de aquecimento eletromagnético por radiofrequência (RF) de materiais nanocompósitos de polímero por meio de aplicadores de campo elétrico de contato direto e acoplados capacitivamente. O aquecimento por RF permite que os susceptores (por exemplo, materiais nanocompósitos) dentro do adesivo sejam resistivamente aquecidos com campos elétricos, eliminando a necessidade de fontes de calor como fornos e pistolas de calor. Usando a técnica de aquecimento por RF, as peças podem ser unidas aquecendo o adesivo em si. É importante ressaltar que a técnica de aquecimento por RF aquece diretamente o adesivo e não os componentes que estão sendo unidos, pois o calor é gerado dentro do próprio adesivo por meio de aquecimento resistivo dos susceptores. Aquecer o adesivo diretamente e não aquecer diretamente os componentes que estão sendo unidos é importante porque elimina ou reduz a distorção, arqueamento, e/ou diferença do coeficiente de expansão térmica nos componentes que estão sendo unidos.

[007] O métodos exemplificativos são particularmente úteis nas indústrias automotiva e aeroespacial, onde é desejada ligação rápida de componentes estruturais com um adesivo termorrígido. Por exemplo, a técnica de aquecimento por RF da aplicação instantânea pode ser usada para curar um epóxi de grau automotivo carregado com nanotubo de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs). Ao marcar o componente adesivo como o elemento de aquecimento, as limitações de transferência de calor são evitadas, já que é normalmente requerido ferramental customizado dispendioso para aquecer o adesivo até sua temperatura de reação. Juntas de cisalhamento (lap shear joints) curadas com o método instantâneo de RF curam mais rápido em comparação com amostras de controle curadas em um forno devido às vantagens de transferência de calor do aquecimento direto do compósito

3 / 29 epóxi.

[008] Métodos anteriores falharam em unir duas peças condutoras porque as peças condutoras refletem a energia de micro-ondas usada para aquecer o adesivo termorrígido. Os métodos instantâneos superam esse problema usando os componentes estruturais que estão sendo unidos como eletrodos para aplicar energia de RF a um adesivo compósito.

[009] Um exemplo de método de aquecimento por RF inclui formulação de adesivos carregados com nanocompósitos que são suscetíveis à energia eletromagnética e aplicação de adesivos nas peças a serem unidas. Em algumas modalidades, um sistema de fixação pode ser usado para reter duas peças a serem unidas pelo adesivo. A pressão de fixação deve ser suficiente para garantir que não haja vazios. Um aplicador de RF pode ser usado para prover o campo requerido para a camada adesiva. A saída do amplificador de radiofrequência é ajustado para acoplamento eficiente do RF ao adesivo. O ajuste pode ser feito pelo ajuste de frequência, uma rede correspondente ou um híbrido dessas duas abordagens.

[0010] O método exemplificativo pode ser aplicado em uma de duas maneiras. O primeiro método é um método de contato direto, no qual o adesivo pode ser usado para unir duas peças eletricamente condutoras. Os eletrodos são aplicados a cada uma das duas peças a serem unidas, com um eletrodo sendo aterrado e o outro eletrodo sendo conectado à saída do amplificador de radiofrequência “quente”. Um sinal de RF é aplicado através dos eletrodos para gerar um campo eletromagnético, que aquece o adesivo por meio de aquecimento resistivo. Usando esse método, as peças sendo unidas não são diretamente aquecidas. O sistema pode ser ajustado para acoplamento eficiente do RF ao adesivo, isso pode ser feito com o ajuste de frequência, uma rede correspondente ou um híbrido dos dois.

[0011] Um segundo método é um método sem contato, no qual um aplicador de RF usa um capacitor para aplicar um campo na proximidade do

4 / 29 adesivo. Por exemplo, um capacitor de placa paralela pode ser usado onde a amostra é colocada entre as placas paralelas ou próximo ao campo das placas paralelas (onde uma placa é aterrada e a outra conectada à saída do amplificador de RF). Isso também pode ocorrer em um capacitor de “campo de borda” (fringing field). Em exemplos de campo de borda, placas, traços ou linhas de metal paralelas são configuradas como um capacitor (com espaçamento razoavelmente baixo da ordem de milímetros) e a amostra é colocada no campo de borda logo acima dos eletrodos. A proximidade da amostra é tipicamente da ordem de milímetros. O campo eletromagnético produzido pelo aplicador de RF aquece o adesivo por meio de aquecimento resistivo.

[0012] Em uma modalidade ilustrativa, um método para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido inclui: aplicar o adesivo termorrígido a pelo menos um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar em contato o primeiro componente com um primeiro eletrodo e colocar em contato um segundo componente dos dois componentes com um segundo eletrodo; colocar em contato o segundo componente com o adesivo termorrígido; criar um campo eletromagnético aplicando um sinal de RF através do primeiro e segundo eletrodos; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

[0013] Em uma modalidade ilustrativa, um método sem contato para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido inclui: aplicar o adesivo termorrígido a pelo menos um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar o primeiro componente e um segundo componente dos dois componentes entre placas de um capacitor de placa paralela; criar um campo eletromagnético entre as placas do capacitor de placa paralela

5 / 29 aplicando um sinal de RF através das placas do capacitor de placa paralela; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

[0014] Em uma modalidade ilustrativa, um método sem contato para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido inclui: aplicar o adesivo termorrígido a um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar em contato um segundo componente dos dois componentes com o adesivo termorrígido; passar um capacitor interdigitado sobre o primeiro e segundo componentes enquanto aplica um sinal de RF ao capacitor interdigitado para criar um campo eletromagnético ao redor do capacitor interdigitado; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

[0015] Esse sumário é provido para introduzir uma seleção de conceitos que são adicionalmente descritos abaixo na descrição detalhada. Esse sumário não se destina a identificar características chave ou essenciais da matéria reivindicada, nem se destina a ser usado como um auxílio na limitação do escopo da matéria reivindicada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0016] A descrição é melhor entendida a partir da descrição detalhada a seguir, quando lida com as figuras anexas. É enfatizado que, de acordo com a prática padrão na indústria, várias características não são desenhadas em escala. De fato, as dimensões de várias características podem ser arbitrariamente aumentadas ou reduzidas para maior clareza da discussão.

[0017] A FIG. 1A é um gráfico de condutividade versus frequência de películas prensadas a quente para diferentes %s em peso de CNT; a FIG. 1B é um gráfico de uma tangente de perda da condutividade da FIG. 1A; a FIG. 1C é um gráfico de taxa de aquecimento versus

6 / 29 frequência para compósitos de MWCNT/PLA para diferentes %s em peso de CNT; a FIG. 1D é um gráfico de Condutividade CA versus fração em peso de CNTs em películas prensadas a quente de PLA a 50 MHz e 200 MHz; a FIG. 1E é um gráfico de valores de condutividade CC como uma função de carga de CNT; a FIG. 1F é um gráfico de dados de espectroscopia termográfica para amostra de película prensada a quente a 0,1 % em peso que mostra como a taxa de aquecimento foi calculada; a FIG. 2A ilustra uma geometria de contato direto para aquecer um adesivo termorrígido; a FIG. 2B ilustra uma geometria de aplicador de capacitor de estilo placa paralela sem contato para aquecer um adesivo termorrígido; a FIG. 2C ilustra uma geometria de aplicador de estilo capacitor interdigitado sem contato para aquecer um adesivo termorrígido; a FIG. 2D é uma vista lateral do aplicador de estilo capacitor interdigitado sem contato a FIG. 3 ilustra um sistema de varredura para aplicação de aquecimento por RF a um adesivo; a FIG. 4A é um modelo COMSOL de intensidade de campo elétrico sobre uma amostra entre placas de um capacitor; a FIG. 4B é um modelo COMSOL de um campo de temperatura de estado regular gerado na amostra da FIG. 4A; a FIG. 4C é um modelo COMSOL de densidade de dissipação de potência da amostra da FIG. 4A; a FIG. 5 é um gráfico que ilustra o perfil de temperatura como uma função de tempo de cura por RF como registrado pela câmera FLIR; a FIG. 6 é um gráfico que ilustra o tempo para atingir

7 / 29 resistência verde equivalente à técnica tradicional de cura em forno e cura por RF; a FIG. 7 é um gráfico que ilustra resultados de espectroscopia dielétrica de condutividade CA versus frequência para várias porcentagens em peso de películas compósitas de CNT/PLA; a FIG. 8 é um gráfico que ilustra resultados de espectroscopia dielétrica de tangente de perda versus frequência para várias porcentagens em peso de películas compósitas de CNT/PLA; e a FIG. 9 é um gráfico que ilustra temperatura versus tempo de um adesivo termorrígido e dois componentes sendo unidos.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES EXEMPLIFICATIVAS DA INVENÇÃO

[0018] Deve ser entendido que a descrição a seguir provê muitas modalidades diferentes, ou exemplos, para implementar diferentes características de várias modalidades. Exemplos específicos de componentes e arranjos são descritos abaixo para simplificar a descrição. Esses são, é claro, meramente exemplos e não se destinam a serem limitativos. Adicionalmente, a descrição pode repetir números de referência e/ou letras em o vários exemplos. Essa repetição tem o propósito de simplicidade e clareza e, por si só, não dita uma relação entre as várias modalidades e/ou configurações discutidas.

[0019] No relatório descritivo, pode se fazer referência às relações espaciais entre vários componentes e à orientação espacial de vários aspectos de componentes como os dispositivos são representados nos desenhos anexos. No entanto, como será reconhecido pelos versados na técnica após uma leitura completa do presente descrição, os dispositivos, membros, aparelhos, etc. descritos aqui podem ser posicionados em qualquer orientação desejada. Assim, o uso de termos como “acima de”, “abaixo de”, “superior”, “menor” ou outros termos semelhantes para descrever uma relação espacial entre

8 / 29 vários componentes ou para descrever a orientação espacial de aspectos de tais componentes deve ser entendido para descrever uma relação relativa entre os componentes ou uma orientação espacial de aspectos de tais componentes, respectivamente, como o dispositivo aqui descrito pode ser orientado em qualquer direção desejada.

[0020] O aquecimento por radiofrequência (RF) de materiais nanocompósitos de polímero é um método interessante e amplamente explorado para o aquecimento de materiais nanocompósitos. O aquecimento por RF, como discutido aqui, inclui o aquecimento usando frequências de rádio de aproximadamente 3 kHz a aproximadamente 300 MHz. Até o momento, a literatura focou no aquecimento por RF de nanocompósitos para aplicações de hipertermia ou aquecimento por RF de nanocompósitos acoplados indutivamente. O aquecimento por indução é eficiente apenas para materiais com perdas por histerese magnética ou materiais com campos magnéticos extraordinariamente altos para compósitos condutores. No caso de compósitos carregados com nanotubos de carbono (CNT), o aquecimento por indução é altamente ineficiente e funciona apenas em alcances curtos quando o material é colocado dentro do solenoide ou fora dele. Em contrapartida, o aquecimento por RF com campos elétricos pode operar em distâncias muito maiores e acoplar diretamente ao material compósito.

[0021] Os benefícios do aquecimento por RF incluem a flexibilidade de acoplar direta ou remotamente a energia eletromagnética a um material nanocompósito, transferir energia com mais eficiência ao material devido ao acoplamento capacitivo, a opção de usar níveis de carga de subpercolação de enchedores de nanopartículas, reduzir as preocupações de segurança diminuindo a radiação eletromagnética dispersa e aplicar aquecimento direto no adesivo e não nas peças sendo unidas.

[0022] Um exemplo notável de aquecimento por RF é o aquecimento resistivo CC de uma película de nanotubo de carbono para degelo de

9 / 29 revestimentos. No entanto, existem duas desvantagens principais associadas ao aquecimento Joule CC. Primeiro, o material resistivo precisa ser conectado diretamente ao circuito com eletrodos condutores. Segundo, o material precisa ter uma condutividade relativamente alta para passar uma corrente através do material. Campos elétricos alternados também podem ser usados para excitar correntes em materiais compósitos condutores para aplicações de aquecimento. O aquecimento por micro-ondas de materiais nanocompósitos utiliza energia eletromagnética entre 300 MHz e 300 GHz para aquecer dielétricos com perdas e tem os benefícios de poder aquecer remotamente o material alvo com alta densidade de energia. Mesmo assim, é difícil aquecer as peças uniformemente com micro-ondas e os requisitos de blindagem apresentam desafios para aplicações práticas para evitar a emissão perigosa de energia de micro-ondas.

[0023] O método instantâneo de aquecimento por RF funciona com geometrias de aplicadores de campo de contato direto, placa paralela e campo de borda, cada qual capaz de aquecer compósitos de nanotubos a altas taxas de aquecimento. Por exemplo, é mostrada a cura de um epóxi de alta resistência carregado com CNTs em uma configuração de junta de cisalhamento. Nesse caso, os cupons de cisalhamento de alumínio servem como eletrodos de contato direto usados para aplicar a energia de RF ao nanocompósito de epóxi. Devido à capacidade de aquecimento volumétrico do método de RF, as amostras de cisalhamento curadas por RF atingiram a resistência verde em três minutos, em oposição a cinco minutos para um método convencional de cura em forno.

[0024] A técnica de aquecimento instantâneo por RF pode ser usada com várias combinações de termorrígidos e susceptores que reagem na presença de um campo eletromagnético. Exemplos de termorrígidos incluem epóxi e uretanos. Exemplos de susceptores incluem nanomateriais de carbono com extensa hibridação sp2 e condutividade elétrica. Isso incluiria nanotubos

10 / 29 de carbono (paredes simples e múltiplas), nanofolhas da família grafeno e partículas de negro de fumo. Além disso, nanomateriais inorgânicos, como as nanofolhas Ti3C2Tx, também funcionarão. Os susceptores são usados em combinação com compósitos termoplásticos, como PLA, PEEK, Nylon, Policarbonato, Polipropileno e polietileno.

EXEMPLOS DE TRABALHO Preparação de Amostra

[0025] As películas compósitas de poliácido láctico (PLA) de nanotubo de carbono foram preparados por meio de fusão (melt compounding). Começando com um lote mestre de 10,0% em peso de MWCNT/PLA (Nanocyl SA, lote personalizado), várias diluições foram fundidas em PLA puro (NatureWorks LLC, 3D850) com um composto de parafuso duplo micro-cônico (Thermo Fisher Scientific Inc., HAAKE ™ MiniCTW). Antes da mistura, as amostras de polímero foram completamente secas de acordo com as especificações do fabricante. As amostras foram fundidas por aproximadamente quatro minutos a 215°C antes da abertura da matriz e a amostra deixada extrusar. As diluições de nanocompósitos foram então prensadas a quente (Carver Inc., modelo 3856) em películas uniformes de 0,5 mm de espessura a 150°C e 27,6 Mpa. Amostras retangulares 3 x 5 cm foram cortadas das películas e eletrodos de prata foram pintados nas bordas para auxiliar no contato com os cabos do aplicador de RF. Espectrometria de Impedância

[0026] A permissividade complexa foi medida usando um porta- amostra capacitivo que incluía dois discos cilíndricos condutores e um analisador de rede. Um adaptador foi usado para converter a conexão coaxial do tipo N do analisador de rede em duas forquilhas paralelas para conectar aos discos do capacitor. Na medição, a amostra em teste foi colocada entre os dois discos e o parâmetro de dispersão S11 foi adquirido para a faixa de frequência desejada. Um procedimento de calibração foi utilizado para

11 / 29 contabilizar os cabos de conexão, o adaptador e os parasitas do capacitor. A impedância do capacitor foi obtida a partir do parâmetro S11 medido, que foi então utilizado para computar a permissividade complexa, levando em consideração os campos de borda. Espectroscopia Termográfica

[0027] A potência de radiofrequência (RF) foi aplicada às amostras com um gerador de sinal (Rigol Inc., DSG815) e amplificador de 500 W (Prana R&D, GN500D). As amostras foram conectadas ao amplificador com uma linha de transmissão coaxial de 50 W terminada por um conector de anteparo Tipo N com clipes de jacaré soldados ao pino central e à referência de aterramento. As amostras foram colocadas em uma caixa de fluxo de ar laminar personalizada para ter uma taxa de resfriamento advectivo consistente em todas as amostras. As amostras foram monitoradas diretamente com um sistema de câmera infravermelha voltada para o futuro (FLIR Systems Inc., A655sc). Para testar a resposta de aquecimento dependente da frequência das amostras e do equipamento de potência de RF, foi programada uma varredura de frequência gradualmente fria no calor no gerador de sinal. As frequências de 1-200 MHz foram varridas de modo que a potência a 40 dBm (10W) seja aplicada por 2 segundos, seguida por 13 segundos de resfriamento antes de passar para a próxima etapa incremental de 1 MHz. As taxas de aquecimento como uma função da frequência foram determinadas selecionando os pontos quando a potência é comutada e 1 segundo em cada ciclo e calculando a inclinação entre os pontos, como mostrado na FIG. 1C. Ligação por RF de cisalhamento Exemplo 1:

[0028] Tiras de alumínio (ThyssenKrupp Materials NA Inc., 7075 T6) de 1 mm de espessura e 25,4 mm de largura por 152,4 mm de comprimento foram ligadas usando um epóxi de cura de alta temperatura de peça única (Betamate, DowDuPont Inc.). O epóxi e os CNT’s (0,25% em peso) foram

12 / 29 misturados com um misturador centrífugo planetário (AR-100, THINKY USA, Inc.) a 2000 rpm por 15 minutos. As amostras de cisalhamento foram preparadas e testadas quanto à resistência ao cisalhamento de acordo com a ASTM D1002. Os espaçadores de PEI foram inseridos nas duas bordas das amostras de cisalhamento para garantir que uma espessura consistente da linha de ligação fosse mantida para cada amostra. Uma tira de fita de poli- imida Kapton foi usada para fixar as tiras na posição durante o procedimento de cura. As amostras de controle foram curadas em um forno de acordo com as condições de processamento recomendadas pelo fabricante. As amostras foram suspensas através de tijolos de alumina com isolamento térmico para garantir que o aquecimento da convenção fosse dominado, em vez da condução térmica através das tiras de alumínio. O forno foi pré-aquecido a 200°C e as amostras foram cronometradas de acordo com o tempo total de permanência no forno, variando de dois a seis minutos. Para as amostras curadas por RF, os espécimes preparados foram conectados ao amplificador de RF aterrando uma das tiras de alumínio e conectando a outra ao pino central do conector de anteparo do tipo N. A potência aplicada foi de aproximadamente 10 a 100 W a 44 MHz durante todo o processo de cura e foi controlada manualmente observando diretamente a temperatura das amostras com uma câmera FLIR. A “resistência verde” da junta foi avaliada curando o espécime em um tempo especificado a 200°C, seguido pelo peso imediato do espécime de cisalhamento com 8,2 kg. Amostras que podiam reter o peso sem deslocamento mensurável da junta foram definidas como tendo atingido sua resistência verde, por outro lado, se a junta de cisalhamento falhou, o espécime foi definido como falha na resistência verde. Exemplo 2:

[0029] As amostras foram preparadas de um sistema epóxi de grau automotivo de uma peça (Dow Betamate) carregado com 0,25% em peso de CNTs, que está abaixo do limiar de percolação de CC clássico e ainda assim

13 / 29 se acopla efetivamente à fonte de potência de RF. As amostras de cisalhamento foram conectadas a uma fonte de RF e monitoradas com uma câmera FLIR, para que a potência pudesse ser controlada manualmente para alcançar o perfil de cura térmica desejado. a FIG. 5 é um gráfico que ilustra o perfil de temperatura como uma função de tempo de cura por RF como registrado pela câmera FLIR; Todas as amostras tinham uma taxa de aquecimento inicial de aproximadamente 5°C/s, semelhante à películas de prensagem a quente de contato direto. A taxa de aquecimento é determinada pela potência de RF aplicada menos o fluxo de calor nos componentes que estão sendo unidos. A taxa máxima de aquecimento é governada pela resistência à ruptura dielétrica do compósito epóxi de CNT, à temperatura de degradação do epóxi ou por outras considerações térmicas para os componentes a serem unidos. Em níveis de carga mais altos (>0,5% em peso), eventos dielétricos de ruptura e arco eram observados se o nível de potência (e, portanto, o campo elétrico) fosse elevado demais. Usando baixos níveis de carga de enchimento CNT, um adesivo com maior resistência à ruptura dielétrica ou equipamento de RF mais sofisticado pode ajudar a mitigar os eventos de ruptura.

[0030] O método instantâneo de cura por RF permitiu que a amostra adesiva chegasse à temperatura de cura desejada de 200°C em dois minutos, aplicando até 100 W de potência de RF a 44 MHz. Após três minutos de aquecimento, a amostra curada por RF passou por um teste de resistência verde, retendo uma massa de 8,2 kg por um período mínimo de 30 segundos. A amostra continuou retendo o peso por 30 minutos antes da remoção das preensões. As amostras de cisalhamento de RF remanescentes, que foram curadas por quatro e cinco minutos cada, passaram no teste de resistência verde. A FIG. 6 é um gráfico de tempo para atingir resistência verde equivalente à técnica tradicional de cura em forno e cura por RF. Em contrapartida, as amostras de controle (curadas por transferência de calor por

14 / 29 convecção em um forno ajustado para 200°C) levaram cinco minutos para curar até a resistência verde. Após quatro minutos, a amostra de cisalhamento começou a curar; no entanto, a amostra escorregou por falha adesiva após alguns segundos das preensões e peso sendo aplicados.

[0031] Essa diferença entre o processo de cura por RF e o processo de cura no forno é melhor explicada pelos mecanismos de transferência de calor no trabalho. Na técnica de cura por RF, o calor é gerado volumetricamente dentro do próprio sistema adesivo por meio do aquecimento Joule capacitivamente acoplado da rede CNT subpercolada. Na técnica de cura no forno, o fator limitante é a transferência de calor por convecção para as tiras de alumínio e o aquecimento de condução para o epóxi. Os epóxis, assim como a maioria dos sistemas adesivos, são condutores térmicos fracos e compartilham as mesmas etapas de limitação de taxa governadas pela lei de Fourier. A cura volumétrica por RF de epóxis nanocompósitos oferece excelentes oportunidades para a cura rápida de juntas adesivas, especialmente no setor de manufatura automotiva, onde os tempos de ciclo determinam quais tecnologias estão prontas para produção. Além disso, a cura volumétrica permitiria um estado de cura espacialmente uniforme em amostras grandes.

[0032] Além de usar material de enchimento menos ativo, os baixos níveis de carga de CNTs garantem que o adesivo mantenha suas propriedades mecânicas inerentes e não seja significativamente fragilizado. Isso também é vantajoso do ponto de vista de custo, limitando a quantidade de enchimento nanomaterial necessário para obter desempenho de aquecimento suficiente. Vantagens adicionais para aplicações industriais incluem uma grande redução nos custos de equipamento de capital normalmente associados a fornos grandes, ferramental personalizado e outros elementos de aquecimento. Este método de aquecimento é altamente eficiente do ponto de vista energético, porque o calor é gerado diretamente no material alvo; semelhante ao aquecimento por indução, perdas excessivas de calor são minimizadas

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RESULTADOS Caracterização Elétrica

[0033] Para entender completamente a resposta de aquecimento por RF dos materiais compósitos de polímero de CNT, as películas de PLA prensadas a quente foram primeiramente distinguidas na região de RF usando espectroscopia dielétrica. As propriedades dielétricas foram plotadas como uma função da frequência de 50 a 200 MHz (Ver FIGS. 7-8), juntamente com os valores de condutividade CC medidos usando sonda de quatro pontos (FIG. 1E). Foi observado um grande aumento na condutividade de 0,1 a 0,5% em peso nos dados CA e CC, indicando o início de uma rede percolada. Observe que a condutividade CA aparente em baixos níveis de carga é geralmente mais alta que a condutividade CC. Isso se dá por causa das contribuições do acoplamento capacitivo de CNTs isolados, em contraste com o comportamento de percolação CC, onde os CNTs devem estar próximos o suficiente para permitir o salto ou o tunelamento de elétrons da CNT para a CNT. Observe que nanomateriais que não sejam CNTs podem responder aos campos de RF, incluindo grafeno e negro de fumo, mas as taxas de aquecimento são menores. Relatos anteriores também estabeleceram que as impurezas que acompanham com frequência as CNTs não são a fonte primária de aquecimento. Espectroscopia Termográfica

[0034] As películas compósitas de PLA/CNT (0,5 mm de espessura) foram aquecidas com potência de RF de 1 a 200 MHz e a taxa de aquecimento foi medida em função da frequência. Todas as amostras de 0,1 a 10% em peso foram eficientemente acopladas e aquecidas em resposta à energia de RF aplicada. Este resultado é surpreendente quando comparado ao aquecimento por micro-ondas de películas compósitas de CNT semelhantes. Foi mostrado que amostras abaixo de 1% em peso aquecem muito pouco em resposta à energia de micro-ondas e amostras acima de 5% em peso começam

16 / 29 a refletir a energia incidente de micro-ondas e, portanto, aquecem menos. A película compósita de 5% em peso alcançou a maior taxa de aquecimento de 16°C/s. Todas as amostras exibiram taxas de aquecimento altamente dependentes da frequência com modos ressonantes notáveis. Os modos ressonantes comuns a pelo menos duas amostras estão centralizados em aproximadamente 5, 35, 90, 120 e 180 MHz. Como tendência geral, as amostras compósitas com menor porcentagem de peso foram bem acopladas em frequências mais altas e, por outro lado, as composições com porcentagens de peso mais altas foram bem acopladas em frequências menores. Esse comportamento é atribuído ao fato de que o acoplamento eficiente ocorre em frequências em que a impedância vista pela fonte de RF (devido à amostra, aplicador e cabos de conexão) e a impedância da fonte de RF são muito próximas (conjugado complexo entre si). As amostras com cargas de CNT menores têm constantes dielétricas menores e, portanto, resultam em uma capacitância menor para o aplicador de RF em comparação com amostras com cargas de CNT altas porque a capacitância é proporcional à constante dielétrica. Capacitância menor significa impedância mais alta porque a impedância de um capacitor é inversamente proporcional à capacitância. Consequentemente, a frequência na qual o acoplamento eficiente ocorre precisa ser maior para diminuir a impedância, aproximando-a da impedância da fonte. Além disso, a frequência ressonante de um circuito ressonante é inversamente proporcional à capacitância, menor capacitância (cargas de CNT menores) resulta em uma frequência de ressonância mais alta.

[0035] Os dois principais fatores que contribuem para os modos ressonantes observados são a impedância das películas compósitas e as características do circuito do amplificador de RF. As amostras compósitas de CNT seguem modelos clássicos de percolação e exibem impedância capacitiva complexa, especialmente em níveis menores de carga. Com base nos resultados de taxa de aquecimento na FIG. 1C, existe uma distinção clara

17 / 29 entre o comportamento de aquecimento da película acima e abaixo de 2,5% em peso, com a amostra de 2,5% em peso exibindo comportamento cruzado entre as duas respostas. Essa resposta bimodal acompanhou bem o limiar de percolação de CC. As películas de carga mais alta têm uma densidade mais alta de interconexões resistivas entre CNTs dispersos na matriz e se comportam mais como um resistor ideal sem um componente reativo. As películas com menor carga de CNT são compostos de uma rede predominantemente desconectada de CNTs. Tal rede pode ser representada por uma combinação de resistores e capacitores em série e paralelo (por exemplo, ver inserção FIG. 1C). Quanto maior a contribuição dos efeitos capacitivos, mais sensível será a taxa de aquecimento da frequência ressonante do fornecimento de potência e do circuito geral. Observe também que a localização exata desses picos poderia variar com base na qualidade da dispersão da CNT, o que poderia alterar as contribuições capacitivas. Observe também que a adição de grupos funcionais aos CNTs melhoraria a qualidade da dispersão, mas também pode afetar a resistência de contato CNT-CNT. Ajuste e Correspondência de Circuitos de RF

[0036] Talvez a consideração mais importante para o aquecimento eficaz de materiais nanocompósitos com energia de RF seja o conceito de correspondência de impedâncias. Os materiais nanocompósitos apresentam um desafio único para a correspondência, principalmente porque suas propriedades elétricas podem mudar em muitas ordens de magnitude com pequenas mudanças na composição ou nas condições de processamento. Adicionalmente, os nanocompósitos são materiais complexos com resistência e capacitância (o componente indutivo é negligível para nanocompósitos não magnéticos). A potência máxima é transferida da fonte de RF para a carga quando a impedância de carga equivalente ZL (vista na porta de saída do amplificador) é igual ao conjugado complexo da impedância de fonte de RF ZS*, do circuito equivalente de Thévenin.

18 / 29 ZL = ZS* Equação (1)

[0037] Isso implica que a parte real das impedâncias (a resistência R) deve ser uma igual à outra e a parte imaginária das impedâncias (a reatância X) deve cancelar Z = R + iX Equação (2) RS = RL Equação (3) XS = −XL Equação (4) onde RS é a resistência da fonte, RL é a resistência da carga, XS é a reatância da fonte e XL é a reatância da carga. É importante observar que a impedância de carga inclui a impedância da amostra e a impedância dos cabos e outros elementos do circuito usados para conectar a amostra à carga; é, portanto, um circuito equivalente concentrado. A impedância complexa da carga ZL pode ser definida como Equação (5) onde LL é a indutância da carga, CL é a capacitância da carga e ω é a frequência angular dada por ω = 2πf. Quando as reatâncias indutiva e capacitiva são iguais, diz-se que o sistema está em ressonância. A frequência de ressonância ωr de um circuito RLC em série é dada por Equação (6)

[0038] A fonte de RF geralmente tem resistência fixa e reatância zero, e a maioria dos sistemas comerciais são projetados para ter uma impedância de 50 Ω. Para nossas amostras, a impedância é altamente dependente da frequência; de modo que esses termos podem ser balanceados para permitir um acoplamento eficiente usando variação de frequência (como medido pela taxa de aquecimento na FIG. 1C). Isso poderia ser usado para empregar a cura baseada em RF de sistemas CNT/epóxi em cargas baixas, onde amostras com cargas de subpercolação ainda podem acoplar fortemente a campos com a frequência ressonante correspondente.

[0039] Em contrapartida, a maioria dos sistemas de aquecimento

19 / 29 industrial por RF emprega uma frequência operacional em uma das bandas industriais, científicas e de medicina definidas para uso comercial pelo Regulamento de Rádio (RR) da União Internacional de Telecomunicações (ITU). Das bandas disponíveis, 13,56, 27,12 e 40,68 MHz são comumente usadas para aquecimento. Nesses casos, o aquecimento eficiente pode ser conseguido através da correspondência de impedância, que tipicamente é realizada com uma rede de correspondência composta por elementos variáveis de indutor e capacitor, controlados manual ou automaticamente.

[0040] O sistema instantâneo pode ser adaptado com base na composição do nanocompósito e não através do uso de uma rede correspondente isolada. Isso também é importante porque mesmo sistemas compatíveis que são o mais eficiente possível podem ser incapazes de aquecer um material alvo com baixa perda dielétrica ou resistiva, ou seja, um sistema epóxi que normalmente requiriria níveis de potência muito altos para aquecer poderia ser aquecido em níveis de potência muito menores com a adição de um enchimento nanocompósito. Técnicas de Aplicador

[0041] Demonstrações de aquecimento por RF de contato direto e sem contato foram realizadas nas películas compósitas. O método de contato direto é o mesmo usado para a técnica de espectroscopia termográfica. A FIG. 2A ilustra um arranjo de película de contato direto exemplificativo 10. O arranjo de película de contato direto 10 inclui uma película 11, um primeiro eletrodo 12 e um segundo eletrodo 13. A película 11 é um adesivo termorrígido com capacidade de aquecimento resistivo. Por exemplo, a película 11 pode ser uma película MWCNT/PLA. Os eletrodos 12, 13 são pintados na película 11. Como ilustrado na FIG. 2A, os eletrodos 12, 13 são posicionados nas extremidades opostas da película 11. Em algumas modalidades, os eletrodos 12, 13 compreendem prata e são pintados nas extremidades ou bordas da película 11. Um dos eletrodos 12, 13 é conectado à

20 / 29 saída de um amplificador de RF e o outro dos eletrodos 12, 13 é aterrado. O amplificador de RF fornece um sinal de RF (por exemplo, um sinal de RF sinusoidal) que cria e campo elétrico entre os eletrodos 12, 13 na proximidade da película 11. O campo elétrico interage com o CNT na película 11 e cria aquecimento resistivo na película 11 para aquecer diretamente o adesivo. O gradiente em película 11 ilustra uma intensidade do campo elétrico.

[0042] Com referência agora às FIGS. 2B e 2C, métodos sem contato são ilustrados. A FIG. 2B ilustra um arranjo de película sem contato exemplificativo 20. Arranjo de película sem contato exemplificativo 20 inclui uma película 21 que é posicionado entre uma primeira placa 22 e uma segunda placa 23. A película 21 é um adesivo termorrígido com capacidade de aquecimento resistivo. Por exemplo, a película 21 pode ser uma película MWCNT/PLA. As placas 22, 23 são usadas como eletrodos (semelhantes aos eletrodos 12, 13, mas espaçados da película 21) e geralmente são paralelos entre si para formar um capacitor de placa paralelo. Na modalidade exemplificativa da FIG. 2B, as placas 22, 23 são discos de cobre com aproximadamente 5 cm de diâmetro. Cada placa 22, 23 é fixada a uma barra de suporte isolante. A película 21 é colocada entre as placas 22, 23 sem tocar fisicamente em nenhuma das placas. Em algumas modalidades, a placa 22 é posicionada para contatar uma primeira parte de duas peças a serem unidas e a placa 23 é posicionada para colocar em contato a outra das duas peças a serem unidas. Cada uma das primeira e segunda peças a serem unidas é condutora e permite que um campo elétrico seja estabelecido entre as placas 22, 23. O gradiente em película 21 ilustra uma intensidade do campo elétrico. Uma das placas 22, 23 é conectada ao pino central do cabo coaxial da fonte de potência de RF e a outra das placas 22, 23 é aterrada. O amplificador de RF fornece um sinal de RF (por exemplo, um sinal de RF senoidal) às placas 22,

23. O campo elétrico produzido entre as placas 22, 23 induz um campo elétrico variável no tempo em película 21, resultando em aquecimento

21 / 29 resistivo. Esse calor é usado para ajustar o adesivo termorrígido da película 21 e unir as duas peças.

[0043] A FIG. 2C ilustra um arranjo de capacitor interdigitado 30. Arranjo de capacitor interdigitado exemplificativo 30 inclui um primeiro eletrodo 31 e um segundo eletrodo 32. O primeiro e o segundo eletrodos 31, 32 são colocados sobre um substrato 33. Em algumas modalidades, o primeiro e o segundo eletrodos 31, 32 são feitos de uma fita de cobre. Em outras modalidades, o primeiro e o segundo eletrodos 31, 32 podem ser feitos de outros materiais condutores. O primeiro e o segundo eletrodos 31, 32 são estabelecidos no substrato 33 para criar um padrão de “dedos” interdigitados como ilustrado na FIG. 2C. O primeiro eletrodo 31 inclui os dedos 34 e o segundo eletrodo 32 inclui os dedos 35. O substrato 33 pode ser, por exemplo, uma folha de polieterimida ou UltemTM. Outros substratos podem ser usados, se desejado. Em algumas modalidades, o primeiro e o segundo eletrodos 31, 32 podem ser cobertos com uma camada isolante 36, como uma camada de fita Kapton. A camada isolante ajuda a evitar um curto-circuito entre o primeiro e o segundo eletrodos. 31, 32.

[0044] Um eletrodo 31, 32 é conectado a um aterramento e o outro dos eletrodos 31, 32 é conectado a um amplificador de RF (por exemplo, o pino central de um conector de anteparo do tipo N do amplificador de RF). Por exemplo, os fios podem ser conectados ao primeiro e ao segundo eletrodos 31, 32 por clipes, solda e similares. O amplificador de RF fornece um sinal de RF (por exemplo, um sinal de RF senoidal) aos eletrodos 31, 32. Um campo elétrico produzido entre os eletrodos 31, 32 é utilizado para induzir um campo elétrico variável no tempo em uma película 37 posicionado paralelo e espaçado dos eletrodos 31, 32 (por exemplo, ver película 37 na FIG. 2D). Como ilustrado na FIG. 2C, a película 37 é menor que o arranjo de capacitor interdigitado 30. Em outras modalidades, a película 37 pode ser de vários tamanhos. A película 37 é um adesivo termorrígido com capacidade de

22 / 29 aquecimento resistivo. Por exemplo, a película 37 pode ser uma película MWCNT/PLA. Em algumas modalidades, a película 37 é espaçado dos eletrodos 31, 32 por aproximadamente 5 mm. O sinal de RF fornecido aos eletrodos 31, 32 forma um campo elétrico na proximidade da película 37 que induz um campo elétrico variável no tempo em película 37, resultando em aquecimento resistivo. Esse calor é usado para ajustar o adesivo termorrígido da película 37. A FIG. 2D é uma vista lateral do arranjo de capacitor interdigitado 30 posicionado próximo à película 37. Em algumas modalidades, a película 37 é espaçado e não entra em contato com o arranjo de capacitor interdigitado 30. Em algumas modalidades, a película 37 pode entrar em contato com a camada isolante 36.

[0045] O arranjo de capacitor interdigitado 30 é especificamente útil para aquecer materiais planares que se movem em referência um ao outro (o material se move em relação ao aplicador do campo de borda ou vice-versa). O ato de varrer o campo de borda paralelo às linhas de campo serve para aquecer uniformemente a folha ou a película. Essa configuração pode encontrar uso em películas finas nanocompósitas para tratamento térmico, distinguido termograficamente as propriedades elétricas de eletrônicos impressos e processando alimentações contínuas de materiais.

[0046] A FIG. 3 ilustra um exemplo de um sistema de varredura 40 para aquecer um adesivo. O sistema de varredura 40 inclui a plataforma 42 através da qual uma película 44 pode ser varrida ou alimentada. A película 44 pode ser, por exemplo, uma película MWCNT/PLA ou alguma outra película que inclua um susceptor. A película 44 pode ser ensanduichada entre dois componentes a serem unidos. Um primeiro eletrodo 46 e um segundo eletrodo 48 alcança uma largura da plataforma 42 e são posicionados de modo que a película 44 possa passar sobre os eletrodos 46, 48. Como ilustrado na FIG. 3, eletrodos 46, 48 são eletrodos retos que se estendem através da plataforma 42. Em outras modalidades, os eletrodos 46, 48 podem ser implementados em

23 / 29 outras configurações. Por exemplo, os eletrodos 46, 48 podem ser implementados com um projeto de capacitor interdigitado semelhante ao arranjo de capacitor interdigitado 30 da FIG. 2C.

[0047] O primeiro eletrodo 46 é conectado a uma saída de um amplificador de RF 50 e o segundo eletrodo 48 é conectado a um aterramento

52. Quando o amplificador de RF 50 emite um sinal, um campo elétrico é criado entre e ao redor dos eletrodos 46, 48. A fim de curar um adesivo termorrígido da película 44, a película 44 pode ser movida além dos eletrodos 46, 48. O campo elétrico interage com os susceptores dentro da película 44 e cria aquecimento resistivo dentro do adesivo termorrígido da película 44. A seta 56 ilustra uma direção de deslocamento da película 44 através da plataforma 42. Em outras modalidades, a película 44 pode ser articulada para se mover em qualquer direção desejada para garantir que a película 44 seja suficientemente exposta ao elétrico arquivado para curar o adesivo na película

44. Em algumas modalidades, a película 44 pode ser alimentada manualmente através da plataforma 42. Em algumas modalidades, a plataforma 42 inclui um mecanismo para transportar a película 44 através da plataforma 42. O mecanismo pode incluir correias transportadoras e similares.

[0048] Em algumas modalidades, o sistema de varredura 40 pode incluir uma câmera infravermelha 54. A câmera infravermelha 54 está posicionada para monitorar a película 44 quando é processada pelo sistema de varredura 40. A câmera infravermelha 54 pode prover dados de temperatura em relação à película 44 para prover uma indicação sobre a cura do adesivo termorrígido na película 44.

[0049] Em outras modalidades, os eletrodos 46, 48 podem ser placas de um capacitor paralelo, um dos quais é colocado acima de um plano da plataforma 42 e o outro é colocado abaixo do plano da plataforma 42. Em tais modalidades, a película 44 (e os componentes a serem unidos) pode ser passada através do espaço entre os eletrodos 46, 48. Mediante a aplicação de

24 / 29 um sinal de RF ao capacitor de pate paralelo, a película 44 é aquecida quando passa através da mesma por meio do aquecimento resistivo.

[0050] Os dois métodos sem contato são operados em uma configuração “eletricamente pequena”; isto é, as dimensões do aplicador são menores que 1/8 do comprimento de onda do campo de RF aplicado (a 200 MHz, o comprimento de onda é de aproximadamente 1,5 m). Devido a isso, os campos elétricos gerados entre as placas ou os dedos interdigitados não podem estabelecer ondas estacionárias e, portanto, são de natureza altamente uniforme.

[0051] Em cada um dos exemplos discutidos acima, as amostras aqueceram rapidamente em resposta ao campo elétrico aplicado, com taxas de aquecimento acima de 100°C/s observadas em resposta a níveis de potência de algumas centenas de watts. A configuração de contato direto gerou calor em uma película de PLA CNT a 1,0% em peso a 315 Watts de potência aplicada a 100 MHz após quatro segundos de potência aplicada. Este é o método mais simples de aplicação de campo de RF e geralmente era o menos sensível a fatores como orientação da película no campo elétrico. Os resultados do aquecimento sem contato são similarmente energéticos. A disposição da placa sem contato da FIG. 2B seria muito útil para o aquecimento direcionado de um material que é embutido ou inacessível para o contato direto com eletrodos metálicos. Outra aplicação útil pode ser o aquecimento eficiente e direto de um material nanocompósito em um forno de tubular, onde o aquecimento indireto por meio do forno é tipicamente implementado.

[0052] Com referência agora à FIG. 9, é mostrado um gráfico que ilustra a temperatura versus o tempo de um adesivo termorrígido e de dois componentes unidos. A FIG. 9 é representativo da mudança de temperatura em um adesivo termorrígido da aplicação instantânea e os componentes sendo unidos na presença de um campo elétrico. Na prática, as respostas de

25 / 29 temperatura de um adesivo termorrígido particular e de componentes particulares unidos dependem de vários fatores, como o tipo de adesivo, o tipo e a quantidade de susceptores, as características do sinal de RF e as características materiais dos componentes sendo unidos e semelhantes.

No tempo t = 0, o processo de aquecimento por RF começa com a aplicação de um sinal de RF para criar um campo elétrico em proximidade ao adesivo termorrígido.

Em t = 0, as temperaturas das peças a serem unidas e o adesivo termorrígido são as mesmas a aproximadamente 25°C.

Na presença de um campo elétrico, a temperatura do adesivo termorrígido sobe relativamente de maneira rápida em comparação com a temperatura dos componentes.

Após aproximadamente 50 segundos, o adesivo termorrígido atingiu uma temperatura acima de 90°C.

Ao contrário do adesivo termorrígido, a temperatura dos componentes aumentou apenas para aproximadamente 40°C.

O aumento da temperatura dos componentes não é um resultado direto do campo elétrico, mas sim da condução de calor do adesivo termorrígido aquecido.

A aplicação contínua do campo elétrico mantém a temperatura do adesivo termorrígido.

A temperatura dos componentes continua a subir lentamente, mas mantém uma temperatura que é dramaticamente menor que a temperatura do adesivo termorrígido.

Em aproximadamente 150 segundos, o sinal de RF e o campo elétrico correspondente são interrompidos.

Sem o campo elétrico, a temperatura do adesivo termorrígido começa a cair e, eventualmente, atingirá o equilíbrio com os arredores.

A temperatura dos componentes também cai e também atingirá equilíbrio com os arredores.

A FIG. 9 ilustra que o método instantâneo de aquecimento por RF resulta em temperaturas muito menores nos componentes que estão sendo unidos.

A redução de temperatura elimina ou reduz a distorção, arqueamento, e/ou diferença do coeficiente de expansão térmica nos componentes que estão sendo unidos.

Modelagem COMSOL

26 / 29

[0053] As configurações do aplicador discutidas acima foram modeladas no COMSOL, um programa de simulação, para desenvolver uma compreensão mais completa da distribuição do campo elétrico nas amostras e do calor acoplado gerado pela energia de RF. Modelar a geometria do aplicador e a amostra a ser aquecida pode ser uma ferramenta valiosa para criar um módulo de aquecimento por RF eficiente e eficaz em uma aplicação no mundo real.

[0054] Para essa geometria, um campo elétrico foi modelado com uma porta concentrada e uma entrada de potência de 100 W foi usada. Para um sistema de 50 Ω, isso resulta em uma entrada de tensão de pico de 100 V. As propriedades dielétricas da película foram obtidas das medições realizadas mais cedo. Usando os módulos COMSOL Multiphysics de RF e de transferência de calor, a distribuição do campo elétrico na película foi calculada e acoplada às propriedades dielétricas do material para determinar a dissipação de potência e, portanto, o aumento de temperatura no material. As FIGS. 4A-4C ilustram a distribuição do campo elétrico, o aumento da temperatura e a densidade de dissipação de potência, respectivamente, para um aplicador de placa paralela capacitivamente acoplado. O cálculo da resistência máxima prevista do campo elétrico é importante para garantir que o sistema seja operado bem abaixo da tensão de ruptura dielétrica do ar (aproximadamente 3 MV/m) e da resistência de ruptura dos materiais compósitos a serem aquecidos. Fora da amostra, o campo elétrico máximo se concentra nas ao redor bordas afiadas das placas do aplicador e nos cantos da amostra. Observe que a forte intensidade do campo elétrico mostrada na FIG. 4A está na região do espaço de ar entre as placas e a amostra. Isso se deve ao fato de que, para a configuração da placa paralela considerada nesta simulação, o campo elétrico é quase perpendicular à interface entre a região do ar e à amostra. As condições de limite para os campos eletromagnéticos determinam que o componente normal da densidade de fluxo elétrico D⃗ seja

27 / 29 contínuo na interface entre a região do ar e a região dielétrica (a amostra). A intensidade do fluxo elétrico E⃗ está relacionada à densidade do fluxo elétrico D⃗ através da relação E⃗ = D⃗/ϵ onde ϵ é a permissividade do material. Para uma configuração ideal de placas paralelas, D⃗ é o mesmo em ambas as regiões; consequentemente, a intensidade do campo elétrico E⃗ na região do espaço aéreo é mais forte do que na amostra dielétrica, porque a permissividade do dielétrico é maior que a do ar. Dentro da amostra dielétrica, ocorre mais aquecimento no centro da amostra, como ilustrado pelo gradiente na FIG. 4B, que é consistente com a dissipação de energia na FIG. 4C. O aquecimento é devido a correntes induzidas na amostra; a potência dissipada na amostra (como calor) é proporcional às correntes induzidas. A distribuição atual dentro da amostra está no máximo no centro da amostra e cai gradualmente em direção às bordas próximas às placas. No entanto, o campo elétrico e o aquecimento através de várias amostras são mais uniformes do que os resultados que mostramos anteriormente para o aquecimento de películas compósitas por guias de ondas de micro-ondas, onde a uniformidade do aquecimento era altamente dependente das propriedades dielétricas da película. Aplicação

[0055] As aplicações desta tecnologia voltadas para a indústria automotiva e aeroespacial incluem a ligação de folhas de alumínio com um adesivo epóxi de alto desempenho carregado com nanotubos de carbono. É altamente desejável ligar peças de alumínio e compósitos com adesivos de alto desempenho em vez de rebites ou soldas tradicionais. Os adesivos selecionados adequadamente superam as soldas e os prendedores mecânicos em relação à resistência mecânica, impacto e resistência à fadiga, assim como peso. Historicamente, os epóxis de uma peça usados para unir os componentes do veículo exigiam temperaturas de cura de 180°C por 30 minutos para atingir resistência total. Isso exigia que os componentes fossem

28 / 29 colocados em fornos grandes e dispendiosos, cobertos com cobertores de aquecedor, pistolas de ar quente ou aquecedores infravermelhos para atingir o grau de cura desejado. Com a técnica de cura instantânea por RF, o próprio adesivo epóxi gera volumetricamente o calor requerido para a cura devido ao aquecimento Joule dos CNTs embutidos. O nível de carga de nanotubo está abaixo do limiar de percolação de CC clássica, ainda assim se acopla efetivamente à fonte de energia de RF. Além de usar material de enchimento menos ativo, os baixos níveis de carga de CNTs garantem que o adesivo não seja significativamente fragilizado.

[0056] A linguagem condicional usada neste documento, como, entre outras, “pode”, “poderá”, “poderia”, “por exemplo” e similares, a menos que seja especificamente indicado de outra forma, ou entendido de outra forma no contexto usado, geralmente se destina a transmitir que certas modalidades incluem, enquanto outras modalidades não incluem, certas características, elementos e/ou estados. Portanto, essa linguagem condicional geralmente não implica que características, elementos e/ou estados sejam de qualquer forma necessários para uma ou mais modalidades ou que uma ou mais modalidades necessariamente incluam lógica para decidir, com ou sem a entrada ou solicitação do autor, se essas características, elementos e/ou estados estão incluídos ou devem ser realizados em qualquer modalidade específica.

[0057] O termo “substancialmente” é definido em grande parte, mas não necessariamente totalmente, ao que é especificado (e inclui o que é especificado; por exemplo, substancialmente 90 graus inclui 90 graus e substancialmente paralelo inclui paralelo), como entendido por um versado na técnica. Em qualquer modalidade descrita, os termos “substancialmente”, “aproximadamente”, “geralmente” e “cerca de” podem ser substituídos por “dentro de [uma porcentagem] de” o que é especificado, onde a porcentagem inclui 0,1, 1, 5 e 10 por cento.

[0058] Embora a descrição detalhada acima tenha mostrado, descrito

29 / 29 e apontado novos recursos aplicados a várias modalidades, será entendido que várias omissões, substituições e mudanças na forma e nos detalhes dos dispositivos ou algoritmos ilustrados podem ser feitas sem se afastar de o espírito da divulgação.

Como será reconhecido, os processos descritos aqui podem ser incorporados de uma forma que não provê todos os recursos e benefícios estabelecidos aqui, pois alguns recursos podem ser usados ou praticados separadamente de outros.

O escopo da proteção é definido pelas reivindicações anexas em vez de pela descrição anterior.

Todas as mudanças que estão dentro do significado da faixa de equivalência das reivindicações devem ser adotadas dentro de seu escopo.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido, o método caracterizado pelo fato de que compreende: aplicar o adesivo termorrígido a pelo menos um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar em contato o primeiro componente com um primeiro eletrodo e colocar em contato um segundo componente dos dois componentes com um segundo eletrodo; colocar em contato o segundo componente com o adesivo termorrígido; criar um campo eletromagnético aplicando um sinal de RF através do primeiro e segundo eletrodos; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os dois componentes não são aquecidos diretamente pelo campo eletromagnético.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o adesivo termorrígido compreende adicionalmente um epóxi.

4. Método de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o adesivo termorrígido compreende adicionalmente um uretano.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende nanotubos de carbono.

6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os nanotubos de carbono compreendem aproximadamente 0,1 até aproximadamente 0,5% em peso do adesivo termorrígido.

7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que os nanotubos de carbono compreendem aproximadamente 1,0 até aproximadamente 10,0% em peso do adesivo termorrígido.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende uma nanofolha de grafeno.

9. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende partículas de negro de fumo.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende nanomateriais inorgânicos.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro eletrodo é conectado a uma saída de um amplificador de RF e o segundo eletrodo é aterrado.

12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a aplicação do campo eletromagnético compreende emitir, pelo amplificador de RF, um sinal de RF entre aproximadamente 3 kHz até aproximadamente 300 MHz.

13. Método sem contato para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido, o método caracterizado pelo fato de que compreende: aplicar o adesivo termorrígido a pelo menos um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar o primeiro componente e um segundo componente dos dois componentes entre placas de um capacitor de placa paralela; criar um campo eletromagnético entre as placas do capacitor de placa paralela aplicando um sinal de RF através das placas do capacitor de placa paralela; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

14. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que: as placas do capacitor de placa paralela compreendem uma primeira placa disposta em um plano acima de um plano de uma plataforma e uma segunda placa disposta em um segundo plano abaixo do plano da plataforma; e a colocação do primeiro e segundo componentes compreende alimentar o primeiro e segundo componentes ao longo do plano da plataforma.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que os dois componentes não são aquecidos diretamente pelo campo eletromagnético.

16. Método de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende pelo menos um dentre nanotubos de carbono, uma nanofolha de grafeno, partículas de negro de fumo, ou nanomateriais inorgânicos.

17. Método sem contato para unir dois componentes por meio de aquecimento direto de um adesivo termorrígido, o método caracterizado pelo fato de que compreende: aplicar o adesivo termorrígido a um primeiro componente dos dois componentes, o adesivo termorrígido compreendendo um susceptor; colocar em contato um segundo componente dos dois componentes com o adesivo termorrígido; passar um capacitor interdigitado sobre o primeiro e segundo componentes enquanto aplica um sinal de RF ao capacitor interdigitado para criar um campo eletromagnético ao redor do capacitor interdigitado; e em que o susceptor interage com o campo eletromagnético para aquecer o adesivo termorrígido por meio de aquecimento resistivo.

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o susceptor compreende pelo menos um dentre nanotubos de carbono, uma nanofolha de grafeno, partículas de negro de fumo, ou nanomateriais inorgânicos.

19. Método de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que os dois componentes não são aquecidos diretamente pelo campo eletromagnético.

20. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a aplicação do sinal de RF compreende emitir, por um amplificador de RF, um sinal de RF entre aproximadamente 3 kHz até aproximadamente 300 MHz.