Projeto, modelagem e construção de forno a vácuo com temperatura controlada

Resumo

O trabalho apresenta uma investigação que engloba o conceito, o desenvolvimento e a matematização de um sistema de forno a vácuo com controle de temperatura em função do tempo. O projeto visa a possibilidade de alcançar uma ampla gama de temperaturas a partir da temperatura ambiente em um curto período de tempo, tendo como base do forno um dispositivo mecânico. Para efetivar a elevação da temperatura do sistema a partir da temperatura inicial para a temperatura desejada, um resistor helicoidal de tungstênio é empregado internamente no forno. O resistor tem uma geometria de configuração helicoidal que desempenha o papel de componente de aquecimento do sistema. O forno foi construído com o propósito de tratar filmes finos de carbono produzidos por meio da técnica de sputtering, com intuito de produzir grafeno de camada única de forma homogênea. Para efetuar o aquecimento do sistema, aproveitou-se um fenômeno físico que utiliza ondas eletromagnéticas emitidas pelo resistor para propagar o calor pelo sistema. Por meio do cálculo prévio das características das ondas eletromagnéticas, o aquecimento é induzido, uma vez que essas ondas podem se propagar mesmo em condições de vácuo (radiação). O processo de aquecimento inicia quando esse componente é submetido a uma potência específica, representando a energia irradiada por segundo. A taxa de variação da temperatura em relação ao tempo foi formulada matematicamente, representada graficamente por meio de simulações e modelagens numéricas, e validada experimentalmente para verificar a conformidade do modelo, assegurando sua precisão. Adicionalmente, é relevante salientar que, embora existam diversos dispositivos de aquecimento (fornos), era essencial conduzir um estudo específico de um dispositivo capaz de realizar um trabalho eficaz em termos de tratamento de filmes finos, com a capacidade de alcançar temperaturas desejadas em curtos intervalos de tempo, com a atmosfera controlada tanto na pressão como na composição. Este trabalho mostra o roteiro para a construção de um forno a vácuo para uso em pesquisa (pequena dimensão). O forno a vácuo construído apresentou resultados suficientes para o tratamento térmico de pequenas porções de materiais, com o controle da temperatura, com todas as etapas importantes para sua construção e caracterização consideradas em detalhe, com ampla discussão.