Resumo: Neste trabalho, quatro técnicas fototérmicas, Espectroscopia de Lente Térmica (LT), Espectroscopia de Espelho Térmico (ET), Deflexão Fototérmica (PDS) e Fotoacústica com célula aberta (OPC), foram empregadas na caracterização de diversos materiais utilizando-se feixes de excitação com perfil de intensidade tipo degrau. Os experimentos foram realizados em vidros ópticos e em materiais utilizados na produção de energia. Os modelos teóricos para este tipo de excitação foram desenvolvidos para as técnicas de LT e de ET. Medidas nas amostras de vidros transparentes foram feitas com as técnicas de LT e de ET realizadas numa mesma montagem experimental. Os resultados mostraram que é viável utilizar lasers não gaussianos de menor custo para medidas com estas técnicas. Da mesma forma, foi demonstrado que a técnica de ET com excitação tipo degrau pode ser empregada para o estudo de materiais opacos. As medidas foram feitas em placas de grafite cristalino e amorfo, as quais são utilizadas na construção de células de hidrogênio combustível. A viabilidade da técnica de lente térmica com excitação tipo degrau para o estudo de líquidos foi testada em amostras de óleo diesel derivadas de petróleo extraído de poços com grande quantidade de areia. Os resultados obtidos com os dois tipos de excitação, degrau e gaussiano, foram concordantes, e os valores da difusividade térmica e da variação do índice de refração com a temperatura (dn/dT) medidos foram correlacionados com o número de cetanos e com o conteúdo monocíclico aromáticos das amostras de combustíveis. Foram feitas ainda medidas em um sistema de duas camadas, chamadas de camadas catalisadoras, utilizando as técnicas fotoacústica com célula aberta e deflexão fototérmica. Essas camadas catalisadoras são também utilizadas na fabricação de células de hidrogênio combustível. Por fim, as técnicas fototérmicas apresentadas nesse trabalho com utilização de excitação do tipo degrau provaram ser aplicáveis no estudo de diversos materiais, sugerindo que possam ser utilizadas com menor custo quando comparadas com sistemas que utilizam lasers com perfil de intensidade gaussiano.
Abstract: In this work, four photothermal techniques, the Thermal Lens Spectroscopy (TL), the Thermal Mirror Spectroscopy (TM), the Photothermal Deflection (PDS), and the Open Photoacoustic Cell (OPC) have been employed to characterize several materials under tophat laser excitation. The experiments were performed on optical materials used for energy production. The theoretical models for the tophat laser excitation were developed for the TL and TM methods. Measurements on transparent optical glasses were performed concurrently with the TL and the TM techniques. The results have showed the feasibility of using less expensive non-Gaussian profile lasers for these techniques. Indeed, it has been showed that the TM tophat excitation can be used to study opaque solid materials. The measurements were performed on crystalline and polycrystalline graphite plates, which are materials used in hydrogen fuel cells. The feasibility of the TL under tophat excitation for the study of liquids was tested on diesel fuels extracted from Canadian oil sands. The results under tophat and also under Gaussian excitations were in good agreement and the values obtained for the thermal diffusivity and the temperature coefficient of the refractive index (dn/dT) were correlated with the cetane number and the monocyclic aromatics contents of the fuels. In addition, the OPC and PDS were used to characterize catalyst layers. Catalyst layers are materials also used in hydrogen fuel cells. In summary, the photothermal techniques under tophat laser excitation presented in this work have been proven to be applicable in studying several different materials, suggesting their applicability in less expensive setups compared to the Gaussian excitation. |
