• JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
  • JoomlaWorks Simple Image Rotator
 
  Bookmark and Share
 
 
Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2022.tde-06032023-165031
Document
Author
Full name
Cirlei Igreja do Nascimento Mitre
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2022
Supervisor
Committee
Colnago, Luiz Alberto (President)
Barbosa, Lúcio Leonel
Bernardes Filho, Rubens
Carvalho Neto, João Teles de
Lobo, Bruna Ferreira Gomes
Moraes, Tiago Bueno de
Title in Portuguese
Estudos teórico-experimentais do efeito de campos magnéticos na taxa e no padrão de corrosão de filmes finos de cobre
Keywords in Portuguese
campo magnético
corrosão
difusão
força de Lorentz
magnetismo
simulação computacional
Abstract in Portuguese
A corrosão é um grande problema na sociedade moderna, pois afeta todos os materiais metálicos desde pequenos componentes eletrônicos até grandes infraestruturas. Estima-se que os custos anuais da corrosão cheguem a US$ 2,5 trilhões. Sendo assim, meios para mitigar a corrosão tem sido objeto de muitos estudos. Sabe-se que o campo magnético (B) pode atrasar ou acelerar a corrosão metálica, no entanto, esse aparente efeito contraditório ainda não é totalmente compreendido. Neste estudo demonstrou-se um método simples e rápido para monitorar visualmente, em tempo real, o efeito de B na corrosão de cobre utilizando filme metálico fino. Os discos usados nos experimentos de corrosão (PCI) são provenientes de uma placa de cobre usadas na confecção de circuitos impressos que consiste de um filme de cobre de 0,1 mm de espessura, depositado sobre um material inerte com 1,5 mm de espessura. Soluções aquosas de FeCl3 e HCl foram usadas como meios corrosivos e câmeras digitais foram usadas para registrar os efeitos do B na corrosão do PCI de maneira estática (fotos) e dinâmica (vídeos). Os resultados da corrosão em solução de FeCl3 usando ímãs cilíndricos mostram claramente que a taxa de corrosão diminui e aumenta, respectivamente, se acontece com B homogêneo ou não-homogêneo se comparados à corrosão na ausência de B. B homogêneo era gerado pela região central de um ímã de NdFeB com 130 mm de diâmetro e 25 mm de espessura.B não-homogêneo era gerado pela borda de um ímã de NdFeB com 30 mm de diâmetro e 19 mm de espessura. O padrão de corrosão também foi afetado pela homogeneidade de B. A corrosão do PCI na presença de B homogêneo apresentou um padrão de corrosão similar a observada na corrosão sem B, com a corrosão iniciando na borda do PCI. Já com ímã não-homogêneo a corrosão ocorreu inicialmente na região do disco coincidente com a borda do ímã, isto é, a 1,5 cm do centro do disco PCI, que é a região onde se tem o B mais intenso e com maior gradiente de B. Nesses experimentos também pode ser observada a rotação do meio corrosivo, cuja direção de rotação invertia com a polaridade de B, indicando a presença da força de Lorentz (FB). A hipótese para a presença da FB, sem campo elétrico aplicado, foi que os íons de Cu2+ formados na corrosão do metal saiam radialmente ao disco (preferencialmente) e perpendicular as linhas de B. Para demostrar a ação da FB na taxa de corrosão foram feitas simulações computacionais usando primeira lei de difusão de Fick em conjunto com equações do magnetismo. As simulações foram feitas para a corrosão de cobre em solução de HCl 1 mol L-1 como meio corrosivo, onde a única partícula carregada eletricamente e paramagnética no meio seria o produto da corrosão, os íons Cu2+. A concordância entre as simulações e os resultados experimentais para B homogêneo foi bastante satisfatória, apontando a FB como o principal agente capaz de retardar a corrosão do cobre. O procedimento proposto também pode ser aplicado a outros metais e meios corrosivos fornecendo informações valiosas sobre o processo de corrosão na presença de B em diversas condições ambientais.
Title in English
Theoretical-experimental studies of the effects of the magnetic fields on the corrosion rate and pattern of copper thin films
Keywords in English
computational simulation
corrosion
diffusion
Lorentz force
magnetic field
magnetism
Abstract in English
Corrosion is a major problem in modern society as it affects all metallic materials from small electronic components to large infrastructures. It is estimated that the annual costs of corrosion reach US$ 2.5 trillion. Therefore, ways to mitigate corrosion have been the subject of many studies. It is known that the magnetic field (B) can delay or accelerate metallic corrosion, however, this apparent contradictory effect is still not fully understood. In this study, a simple and fast method to visually monitor the copper corrosion, in real time, using metallic film was proposed. The thin film was a copper clad laminate (CCL) used in the manufacture of printed circuits (PCB), which consists of a copper film of 0.1 mm thick, deposited on an inert material 1.5 mm thick. Aqueous FeCl3 and HCl solutions were used as corrosive media and digital cameras were used to record the effects of B on PCB statically (photos) and dynamically (videos). The results for corrosion with FeCl3 solution using cylindrical homogeneous magnets (NdFeB magnet with 130 mm in diameter and 25 mm thick) and non-homogeneous (NdFeB magnet with 30 mm in diameter and 19 mm thick) were clearly observed. The PCI in the presence of a homogeneous B shows a pattern similar to corrosion in absence of B. With non-homogeneous magnet, however, the corrosion started in the region above the edge of the magnet, that is, 1,5 cm from the center of the PCB disk, which is where the B is more intense and with the greatest B gradient. In these experiments was possible to observe the rotation of the corrosive media that inverts with inversion of polarity B, indicating the presence of Lorentz force (FB). The hypothesis for the presence of FB, without applied electric field, was that the Cu2+ ions formed during the corrosion of the metal leave radially out of the disk (preferably) and perpendicular to the lines of B. To demonstrate that the FB origin was due to this radial diffusion of Cu2+ computer simulations were performed using Fick's first diffusion law in conjunction with magnetism equations. The simulations were made for copper corrosion using an HCl solution as a corrosive medium, where the only electrically charged and paramagnetic particle in the medium is be the corrosion product, Cu2+ ions. The agreement between the simulation and the experimental results for homogeneous B was quite satisfactory, pointing out the FL as the main force capable rotating the solution and delaying departure of Cu2+ ions from the metal surface and media and consequently delaying the corrosion in presence of homogeneous B. The proposed procedure can also be applied to other metals and corrosive media, providing valuable information about the corrosion process in the presence of B under various environmental conditions.
 
WARNING - Viewing this document is conditioned on your acceptance of the following terms of use:
This document is only for private use for research and teaching activities. Reproduction for commercial use is forbidden. This rights cover the whole data about this document as well as its contents. Any uses or copies of this document in whole or in part must include the author's name.
Publishing Date
2023-03-08
 
WARNING: Learn what derived works are clicking here.
All rights of the thesis/dissertation are from the authors
CeTI-SC/STI
Digital Library of Theses and Dissertations of USP. Copyright © 2001-2024. All rights reserved.