Diversas
técnicas estão disponíveis para analisar o estado das superfícies de
interesse. A seleção da técnica depende das variáveis que se queira
determinar e da profundidade que a técnica alcança.
Você
sabia que pode usar um scanner como lupa?
Preparação e Manuseio de Amostras
A
importância de procedimentos corretos de preparação e manuseio de amostras
deve ser enfatizada sempre. Se as amostras não receberem cuidado adequado,
muitas informações importantes podem ser perdidas, adulteradas ou obscurecidas.
Manuseio impróprio sempre aumenta a barra de erro de qualquer medida tomada
sobre a amostra. Descrevemos alguns princípios gerais para ajudar a preservar
as amostras e os dados críticos que elas contém. Estes princípios podem não
ser suficientes para proteger a sua
amostra em particular e uma consulta a um(a) especialista pode ser valiosa.
Não
toque.
Evite
tocar a superfície da amostra a analisar. A superfície contém a informação
que você quer e seus dedos toda a gordura, sais e umidade que você não quer
sobre a amostra. Seus dedos podem ainda adicionar material à sua amostra, ou
remover depósitos de material dela.
Se
você tem que usar as mãos para segurar sua amostra, use luvas e/ou segure
pelas laterais, se possível. As luvas também podem contaminar a amostra então
a escolha de luvas adequadas à amostra e à situação é também importante.Se as
amostras são inclusive pequenas use pinças limpas e suportes limpos para a
acomodação.
Também
evite respirar sobre a amostra.
Evite
tocar a superfície também com objetos duros se você pretende observar
aspectos de superfície de fratura, trilhas de ensaios de desgaste ou desgaste
por uso. Os sinais podem ser danificados. Se for necessário limpar a amostra
há normas para procedimentos de limpeza para preparar a superfície para cada
ensaio.
A
escolha das amostras.
A
escolha das amostras é importante. A amostra deve conter a situação ou
material que você quer analisar em quantidade ou posição favoráveis. Se
possível você deve ter amostras de controle, que não falharam ou que não
sofreram o que você pretende
observar. Em alguns casos como em ensaios, o número de amostras deve permitir
que a estatística da análise de dados seja relevante.
Preserve
a integridade da amostra.
Se a
amostra deve ser removida de uma peça de tamanho maior, tome cuidado com a
área de interesse. O corte com maçarico altera propriedades mecânicas e a
microestrutura. Raspar uma área pode jogar resíduos sobre a área de
interesse, modificando o relevo e a composição.
Guarde
a amostra em embalagem limpa apropriada, evite a umidade, ou atmosfera
agressiva. Não use fita adesiva sobre a amostra pois podem ficar restos do
adesivo aderido à sua superfície. Com o tempo e a temperatura o adesivo fica
cada vez mais difícil de tirar. E tirá-lo pode danificar justamente o que você
quer observar.
Identifique
e rotule suas amostras.
Anote
os dados relevantes em etiqueta ou sobre a embalagem que protege a amostra. A
fonte da amostra e os ensaios que serão executados sobre ela são dados
importantes. Pense um pouco sobre o que aconteceria se você encontrasse a sua
amostra daqui a, digamos, dois anos. Você saberia que amostra é esta, o que
foi feito com ela, de onde ela veio, se há outras como ela, que arquivos
contém os resultados de sua análise e que conhecimento foi extraído dela, a
quem ela pertence?
Amostras
devem ter tamanho apropriado.
Poucos
gramas são suficientes para análise térmica por exemplo; mas alguns
centímetros quadrados de área livre são necessários para a maior parte dos
procedimentos de análise de superfície descritos nesta página. Algumas
máquinas também impõem limitações ao tamanho e peso das amostras; você deve
consultar as pessoas que farão a análise para saber o tamanho apropriado de
amostra a fornecer para análise.
A
espectroscopia de elétrons Auger fornece informação sobre a composição
química do material externo de uma superfície ou interface sólida. As
principais vantagens da AES sobre outros métodos de análise de superfícies
são sua excelente resolução espacial (< 1um), sensibilidade à superfície
(~20 Å) e a detecção de elementos leves.
AES
usa um feixe primário de elétrons para
excitar a superfície da amostra. Quando um elétron de uma camada
interna é ejetado de um átomo da superfície da amostra pela interação com um
elétron primário, um elétron de uma camada externa preenche a lacuna. Para
compensar a variação de energia desta transição, um elétron Auger ou um fóton
de Raio X é emitido. A probabilidade de emissão de um elétron Auger é maior
para elementos leves, o que destaca a sensibilidade que a técnica tem de
detectar elementos leves.
A
energia do elétron Auger emitido é característica do elemento do qual foi
emitido. A detecção e a análise de energia dos elétrons Auger emitidos
produzem um espectro de energia versus abundância relativa de elétrons. Picos
no espectro identificam os elementos químicos presentes na superfície da
amostra. Em alguns casos, o estado químico dos átomos da superfície também
pode ser determinado dos deslocamentos de energia e forma dos picos.
Elétrons
Auger têm energia cinética relativamente baixa, o que limita sua profundidade
de escape. Qualquer elétron Auger emitido de uma interação abaixo da
superfície perderá energia em reações adicionais de espalhamento em sua
trajetória até a superfície. Elétrons Auger emitidos numa profundidade maior
que 2-3 nm não terão energia suficiente para escapar da superfície e alcançar
o detector. Assim a análise AES se estende somente até a profundidade de 2 nm
e esta profundidade não é alterada pela energia do feixe primário de
elétrons.
As
amostras devem ser condutoras e capazes de suportar alto vácuo (p<10-9
Torr).
Espectroscopia
de energia dispersiva de raios X é uma técnica de microanálise química usada
em conjunto com a microscopia eletrônica de varredura (SEM). A técnica
detecta raios x emitidos durante o bombardeio da amostra por um feixe de
elétrons para caracterizar a composição elemental do volume analisado.
Acidentes
ou fases da ordem de 1um podem ser analisados. Quando a amostra é bombardeada
pelo feixe eletrônico do SEM alguns elétrons são ejetados pelos átomos dos
materiais da superfície da amostra. As lacunas deixadas são preenchidas por
elétrons de energia mais alta, de níveis superiores da eletrosfera. Este
salto causa a emissão de um fóton de raios-X que é característico do
elemento. O detector mede a abundância relativa de raios-X emitidos em função
da energia.
EDS da superfície de uma liga de ferro 99% (m/m)
tratada pelo processo convencional de fosfatização com zinco.
É o
estudo da estrutura cristalina dos metais e ligas e a relação desta estrutura
com as propriedades físicas dos metais. As ferramentas mais importantes do
metalógrafo são o microscópio óptico e os Raios X. O exame pode revelar a
estrutura cristalina, o tamanho e a forma dos cristais. Pode ainda
identificar um metal ou liga, detectar impurezas e verificar a efetividade de
tratamentos térmicos para endurecimento, por exemplo. Raios X podem detectar
defeitos, discordâncias e outras perturbações da estrutura e da composição
dos grãos, bem como a presença de impurezas.
Microscopia Eletrônica de
Varredura é um método de imageamento de superfícies com resolução 100.000x
maior que a microscopia óptica. Gera-se um feixe de elétrons incidentes na
coluna de elétrons acima da câmara que contém a amostra. Os elétrons são
produzidos por uma fonte de emissão térmica, tal como um filamento de
tungstênio, ou um catodo de emissão de campo. A energia dos elétrons
incidentes pode ser tão baixa quanto 100 eV ou tão alta quanto 30 keV,
dependendo dos objetivos da análise. O feixe de elétrons pode ser focalizado
num ponto ou varrer uma linha para análise de raios x. O feixe pode ser
focalizado em diâmetro final da ordem de 10 Å e usado para varrer um padrão
pré-definido da superfície da amostra.
Micrografia SEM da superfície de uma liga de ferro 99% (m/m) tratada pelo processo convencional de fosfatização com zinco (amostra Fosf 5).
As figuras
seguintes referem-se ao aço nitretado [referência 6] e mostram micrografias SEM.
Nitretação a 773
K. Seção transversal mostrando o recobrimento e as fases presentes.
Nitretação a 873
K. Seção transversal mostrando o recobrimento e as fases presentes.
Aparência da
superfície do filme de nitretação (SEM), rugosidade de 0,08 um e dureza de
827 HV.
É o exame da superfície com luneta ou com microscópio óptico que usam luz visível para criar uma imagem ampliada do objeto. Alguns microscópios ópticos conseguem ampliações da ordem de 2000x.
Você pode usar um scanner como lupa!
(Ismael F. da Silva e Audrey Moreira, cientistas brasileiros "inventando" instrumentação...)
Basta obter imagens com alta
densidade de dpi (pontos por polegada) e tratar a imagem com um processador
de imagens adequado (Adobe Photoshop, Corel Photopaint entre outros). Você
pode colocar um paquímetro ao lado da amostra para ter a escala. Cuidado para
não estragar a superfície do scanner riscando-a com amostras metálicas, por
exemplo. Coloque uma transparência entre a amostra e a tela do scanner para
protegê-la. Lembre-se que isto produz imagens de reflexão com só uma direção
de iluminação, pode ser importante virar a amostra para observá-la com luz
incidente de outra direção. Verifique a cor adequada de papel para colocar sobre
a amostra e fazer um bom fundo para a sua figura, ou modifique a cor do fundo
com o editor de imagens. O papel também reflete/absorve luz e interfere (melhorando
ou piorando) na qualidade da visualização.
É uma técnica para a visualização da textura da superfície que pode mostrar aspectos de até centésimos de micrômetro. Uma sonda com ponta de diamante varre a superfície e registra a sua topografia. A semelhança do perfil obtido com o perfil da superfície depende bastante da forma da ponta da sonda. A resolução vertical da perfilometria varia para cada equipamento e pode atingir 10 nm. Se o material é frágil como alguns polímeros por exemplo, o rastro da sonda pode ficar marcado sobre a superfície.
A perfilometria pode ser muito informativa sobre a textura da superfície e a maioria dos softwares de aquisição de dados de perfilometria permite girar a imagem obtida, extrair perfis 2D, inverter a imagem para observar os vales como picos, medir distâncias, calcular volumes, fazer ampliação de trechos escolhidos (zoom), entre outras funções.
O agrupamento paralelo de uma série de perfis 2D forma uma figura que seria um perfil 3D. Os softwares de aquisição permitem controlar a distância entre um perfil 2D e outro e para a maioria deles a distância mínima é de 1 um.
(Figura Taylor-Hobson - Perfilometria de material compósito).
É um
perfil 2D da superfície, extraído pela varredura mecânica de uma sonda com
ponta cônica de diamante. Deve-se tomar cuidado para que parâmetros como Ra
(rugosidade média) não sejam usados de modo inadequado, pois devemos ter em
conta que podem não ser muito informativos sobre a textura. Superfícies de
aspecto muito diferentes podem ter o mesmo Ra. A medida de Ra é regida pela
norma ISO 4287-1997.
Parâmetros
como Rq (desvio quadrático médio - importante na indústria óptica e
eletrônica por destacar os desvios em torno da linha média) e Rsk (skewness -
medida da simetria em torno da linha média) podem ajudar a caracterizar
melhor a textura usando perfis 2D. Na figura pode-se observar que Ra pode
assumir o mesmo valor para superfícies com aspectos completamente diferentes.
É preciso ter cuidado para não apoiar avaliações baseadas em apenas um
parâmetro de rugosidade, pois isso pode não ser suficiente.
Alguns
dos parâmetros que analisam aspectos geométricos da superfície são:
Ra, Rq, Rku, Rsk, Rt, Rv,
Rv1max, Rp, Rp1max, Rpk, Rvk, Rz (ISO), Rz (DIN), Rz (JIS), Rz1max, Rc, R3tm,
R3y, R3z, Rm, Rmax, Rp, Rpm, Rti, Rtm, Rv, Ry (Figura Taylor-Hobson).
(Figura Taylor-Hobson - Perfil de rugosidade retirado da perfilometria do material compósito).
Nitretação de aço por 30 minutos em atmosfera H2-75%N2 produz filmes com dureza superficial aproximada de 827 (HV 0,05). A rugosidade Ra é aproximadamente 0,08 um [referência 6].
Uma pequena sonda (tip) varre a superfície de uma amostra de modo a construir uma imagem 3D da superfície. O controle fino da varredura é facilitado pelo uso de um tubo piezoelétrico de varredura.
A superfície pode ser detectada pela força exercida pela superfície contra a sonda. A sonda pode estar em contato constante com a superfície (AFM Standard Mode) ou pode tocar delicadamente a superfície enquanto oscila em alta freqüência (AFM Tapping Mode). Forças laterais menores que 1 nanonewton em Tapping Mode permitem resolução melhor (Shimadzu do Brasil).
Outros modos que fornecem informação sobre propriedades físicas da amostra incluem atrito ou força lateral, e imagem de fase. Uma sonda em Tapping Mode recoberta com material magnético permite que campos magnéticos imediatamente acima da superfície sejam mapeados (Magnetic Force Microscopy). Os softwares processadores das imagens extraídas permitem o cálculo de vários parâmetros da superfície.
A
técnica de tempo de vôo do íon secundário (ToF - SIMS) é uma técnica
analítica usada para obter dados químicos elementares e moleculares (Static
SIMS), e detectar concentrações de partes por bilhão (ppb) de impurezas em
semicondutores e metais (Dynamic SIMS). Todos os elementos, incluindo o
hidrogênio, são detectáveis por SIMS.
A amostra deve ser capaz de
suportar um ambiente de ultra-alto vácuo, no qual os íons primários bombardeiam
a superfície da amostra de onde ejetam átomos, moléculas e fragmentos de
moléculas. A massa das partículas ejetadas (que são os íons secundários) é
analisada por espectrometria de massa por tempo de vôo.
No
analisador ToF, os íons ejetados são acelerados com uma energia comum, mas
têm velocidades diferentes porque suas massas são diferentes. Devido às
diferenças em suas velocidades, os íons menores se movem mais rapidamente que
os maiores, e suas massas são determinadas pelo tempo de vôo através do
analisador.
SIMS é
uma técnica de análise de superfície pois somente os íons secundários dos
primeiros 10 a 20 Angstroms da superfície conseguem escapar da energia de
ligação da superfície, entrar na região de aceleração e análise.
A alta
resolução do analisador ToF pode distinguir espécies cujas massas difiram
apenas em poucas unidades de milimassa. A análise contínua obtém um perfil de
composição em profundidade. É uma técnica destrutiva para os primeiros 10 a
20 Angstroms da superfície da amostra.
É uma
técnica analítica usada para identificar materiais orgânicos (e em alguns
casos, inorgânicos). A técnica mede a absorção de radiação na faixa do
infravermelho pela superfície do material em função do comprimento de onda.
As bandas de absorção de infravermelho identificam componentes moleculares e
suas estruturas.
Quando
um material é irradiado com radiação no infravermelho, a radiação absorvida
usualmente excita as moléculas a um estado vibracional mais alto. O
comprimento de onda absorvido por uma certa molécula é uma função da
diferença de energia entre o estado excitado e o estado fundamental. Os
comprimentos de onda que são absorvidos pela amostra são então,
característicos de sua estrutura molecular.
O espectrômetro
FTIR usa um interferômetro para modular o comprimento de onda de uma fonte de
infravermelho de banda larga. Um detetor mede a intensidade da radiação
refletida ou da transmitida como função do comprimento de onda. O sinal
obtido do detetor é um interferograma, que deve ser analisado por um programa
usando transformada de Fourier para obter um espectro de infravermelho de
feixe único. Os espectros de FTIR são usualmente apresentados como gráficos
de intensidade versus número de onda. O número de onda é o inverso do
comprimento de onda. Podem-se ainda construir gráficos de intensidade contra
porcentagem de transmitância ou absorbância
para cada número de onda. Dependendo do equipamento as amostras podem
ser sólidas, líquidas ou gasosas.
Raios X de ângulo rasante - RX
Técnica analítica para
verificar composição de fases do material da superfície.
De cima para baixo espectros de
raios X para a nitretação a 873 K (H2-75%N2), 773 K (H2-75%N2)
e 773 K (H2-50%N2). Observe a intensidade relativa das
fases.
consultas, críticas e
sugestões:
Audrey Moreira: [email protected]
Bruna Ferreira: [email protected]