5. RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.7.2. Propriedades dielétricas das fitas laminadas sinterizadas
Nas Figuras 25, 26 e 27 são mostradas as propriedades dielétricas (constante dielétrica em função da frequência e perda dielétrica em função da frequência) das fitas laminadas em 6 camadas das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 sinterizadas a 950 °C, 1000 °C e 1050 °C, respectivamente. É possível observar um menor valor de constante dielétrica das amostras, se comparadas às fitas verdes laminadas, além de continuidade desses valores com o aumento da frequência em até 1,5 GHz. Perdas dielétricas relativamente mais baixas, na ordem de pelo menos 10-2, também foram observadas. A continuidade nos valores de constante dielétrica relativa com o aumento da frequência, e as baixas perdas dielétricas obtidas, para todas as composições, em todas as temperaturas de sinterização, estão associadas a inexistência dos componentes orgânicos nos laminados após sinterização parcial, e a presença das fases cristalinas formadas nos materiais, que contribuiu para a significativa melhora nas propriedades dielétricas.
Frequência Propriedades dielétricas Sc ScBN1 ScBN3 ScBN5
0,1GHz Constante dielétrica 6,604 6,496 6,682 6,040 Perda dielétrica 0,873 0,954 0,839 0,775 0,5GHz Constante dielétrica 5,668 5,577 5,885 5,167 Perda dielétrica 0,839 0,811 0,723 0,762 1GHz Constante dielétrica 5,239 5,189 5,492 4,786 Perda dielétrica 0,808 0,769 0,814 0,721
Fonte: Próprio autor.
Fonte: Próprio autor.
Figura 25 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 950 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em função da frequência.
a) b)
a) b)
Figura 26 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1000 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em função da frequência.
Fonte: Próprio autor.
Também foi possível observar, para todas as composições, em todas as temperaturas de sinterização, valores de constante dielétrica muito próximos. Como já analisado nas Tabelas 3, 4 e 5 anteriormente, os valores de porosidade das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 em todas as temperaturas de sinterização, apresentaram valores limítrofes, não havendo diferença significativa entre elas. Como já visto anteriormente, a porosidade influencia diretamente no valor da constante dielétrica do material, quanto maior a porosidade, menor será a constante dielétrica e, pequenas variações na porosidade de um determinado material não altera significamente o valor de sua constante dielétrica. Portanto, isso pode explicar o fato de as composições terem apresentado valores próximos em suas constantes dielétricas. Em cerâmicas de h-BN - SiO2 obtidas por TIAN et al, (2019), as amostras apresentaram altos valores de porosidade, 77,2%. Esse valor influenciou diretamente no valor da constante dielétrica que foi obtida, entre 1,41 - 1,45 (variação dentro do intervalo de frequência medido). A porosidade alcançada pelo material não afetou as suas propriedades dielétricas, e o autores obtiveram perdas dielétricas variando entre 1,85 x 10-3 - 1,93 x 10-3.
Nas Tabelas 7, 8 e 9, é possível observar em detalhes, os valores de constante dielétrica e perda dielétrica das fitas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 950 °C, 1000°C e 1050 °C em três frequências (0,1 GHz, 0,5 GHz e 1 GHz). A menor perda dielétrica obtida foi de Figura 27 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1050 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em função da frequência.
0,0001, correspondente a composição ScBN5 sinterizada a 1050 °C, na frequência 0,5 GHz, e a maior perda dielétrica obtida foi de 0,027, correspondente a composição Sc, sinterizada a 950 °C, na frequência de 0,1 GHz.
Tabela 7 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 950 °C nas frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz.
Fonte: Próprio autor.
Tabela 8 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1000 °C nas frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz.
Fonte: Próprio autor.
Frequência Propriedades dielétricas Sc ScBN1 ScBN3 ScBN5
0,1Ghz Constante dielétrica 2,300 2,102 2,334 2,206 Perda dielétrica 0,027 0,018 0,013 0,007 0,5GHz Constante dielétrica 2,289 2,094 2,328 2,203 Perda dielétrica 0,011 0,007 0,006 0,003 1GHz Constante dielétrica 2,286 2,093 2,326 2,202 Perda dielétrica 0,01 0,006 0,004 0,003
Frequência Propriedades dielétricas Sc ScBN1 ScBN3 ScBN5
0,1Ghz Constante dielétrica 2,303 2,163 2,225 2,350 Perda dielétrica 0,0263 0,0094 0,0016 0,0007 0,5GHz Constante dielétrica 2,292 2,156 2,221 2,347 Perda dielétrica 0,0107 0,0038 0,0006 0,0002 1GHz Constante dielétrica 2,289 2,156 2,221 2,348 Perda dielétrica 0,0063 0,0032 0,0007 0,0009
Tabela 9 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1050 °C nas frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz.
Fonte: Próprio autor.
De maneira geral, o aumento do teor de h-BN em todas as temperaturas de sinterização, diminuiu as perdas dielétricas em frequências a partir de 0,1 GHz. A composição ScBN5 apresentou os menores valores de perda dielétrica, com valores na ordem de pelo menos 10-3 em todas as temperaturas de sinterização, a partir da frequência de 0,1 GHz. A redução das perdas dielétricas foi mais evidente nas temperaturas de sinterização de 1000 °C e 1050 °C, para as composições ScBN3 e ScBN5, onde as perdas dielétricas estiveram na ordem de 10-4.
Alguns trabalhos na literatura relataram diminuição nas perdas dielétricas em materiais com adição de h-BN. WU et al. (2018) relataram perdas dielétricas inferiores a 0,01 com adição de 50% em peso de h-BN ao SiO2. WANG et al. (2013) relataram uma diminuição da perda dielétrica quando o conteúdo de h-BN foi aumentado em 5% em volume em uma matriz de Si3N4. A perda dielétrica continuou decrescendo quando o teor de h-BN foi aumentado em até 15% em volume, porém, sem diminuição significativa.
Considera-se geralmente que a adição de cargas inorgânicas , tais como SiC e Al2O3, em matriz de isolamento, muitas vezes leva a alta perda dielétrica e, a perda dielétrica de compósitos geralmente aumenta à medida que se aumenta a concentração desses sólidos. Sabe-se que a perda dielétrica está intimamente relacionada à condutividade elétrica dos compósitos. Em relação ao h-BN, eles possuem condutividade elétrica extremamente baixa, portanto, o h-BN incorporado a uma matriz cerâmica pode aumentar a resistividade nos contornos de grãos do
Frequência Propriedades dielétricas Sc ScBN1 ScBN3 ScBN5
0,1Ghz Constante dielétrica 2,352 2,211 1,995 2,221 Perda dielétrica 0,0327 0,0025 0,0005 0,0004 0,5GHz Constante dielétrica 2,344 2,210 1,996 2,221 Perda dielétrica 0,0092 0,0013 0,0008 0,0001 1GHz Constante dielétrica 2,343 2,211 1,997 2,222 Perda dielétrica 0,0062 0,0005 0,0005 0,0004
material, inibindo, assim, a mobilidade dos transportadores de carga e, consequentemente, diminuindo a perda dielétrica do compósito, e isto é mais evidente com o aumento do teor de h-BN (FENG et al., 2016; WU et al., 2016).
As fases de wollastonita e cristobalita encontradas nas difrações de raios X e espectroscopia Raman para todas as composições, também podem ter contribuído para as baixas perdas que foram encontradas, mesmo na composição Sc (perdas na ordem de 10-2), sem a presença do h-BN. Alguns trabalhos da literatura relataram baixos valores de perdas dielétricas para compósitos cerâmicos que continham fases de wollastonita e cristobalita (FANG et al., 2012; HOSSAIN; ROY, 2018; WANG et al., 2009; XIANG et al., 2017), porém, essas perdas não superaram as baixas perdas dielétricas encontrados em materiais cerâmicos compósitos com presença de h-BN (TIAN et al., 2019; WANG et al., 2013; WU et al., 2018; ZIMMERMANN‐PTACEK et al., 2018).
Portanto, como a fase de h-BN possui menor perda dielétrica se comparada às fases de wollastonita e cristobalita e, os valores de porosidade de todas as composições não apresentaram diferenças significativas entre elas, é possível que a diminuição nas perdas dielétricas nas composições ScBN1, ScBN3 e ScBN5 podem estar associadas à adição de h-BN.
A Equação 5.1 mostra a lei da mistura logarítmica de Lichtenecker para os compósitos produzidos no presente trabalho, onde νhBN
, ν
SiO2,ν
CaSiO3, ν
poros,ε
hBN,ε
SiO2,ε
CaSiO3e εporos,representam a fração volumétrica e a constante dielétrica para h-BN, cristobalita, wollastonita e poros, respectivamente. Esta equação foi utilizada para calcular as constantes dielétricas teóricas das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 sinterizadas a 1050 °C.𝑙𝑛𝜀 = vℎ𝐵𝑁 𝑥 ln 𝜀ℎ𝐵𝑁+ vSiO2 𝑥 ln 𝜀𝑆𝑖𝑂2 +
v𝐶𝑎𝑆𝑖𝑂3 𝑥 ln 𝜀𝐶𝑎𝑆𝑖𝑂3 + v𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑥 ln 𝜀𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 (5.1)
As constantes dielétricas teóricas utilizadas para cada fase foram retiradas de trabalhos da literatura (
ε
CaSiO3 = 5,ε
SiO2 = 4,140 eε
h-BN = 4,2) (MOHAMMADI; ALIZADEH; ATLASBAF, 2011; SEVIK; BULUTAY, 2007; SUN et al., 2017). A constante dielétrica do ar foi considerada aproximadamente igual a 1. A fraçãovolumétrica de cada fase foi calculada a partir do refinamento das fases obtidas (Figura 18) na composição Sc sinterizada a 1050 °C.
Na Tabela 10, é possível observar os valores das constantes dielétricas teóricas e experimentais das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 sinterizadas a 1050 °C. Foi possível observar valores muito próximos entre elas. Os baixos valores relativos das constantes dielétricas teóricas e experimentais encontrados para os materiais compósitos sinterizados, não condizem com os valores individuais da constante dielétrica de cada fase presente. Geralmente, a composição da fase e a porosidade são os principais fatores que afetam as propriedades dielétricas de um material compósito (SUN et al., 2017). Portanto, é possível que a porosidade tenha sido o principal fator que determinou os valores de constante dielétrica encontrados, se comparado à contribuição das fases cristalinas presentes, e isto pode ser explicado pelo aos altos valores de porosidade que foram obtidos para todas as composições e pelo fato de a constante dielétrica do ar se aproximar de 1 (como já visto anteriormente). Além disso, nenhuma composição apresentou porosidade muito distante das outras composições, o que pode explicar as pequenas variações nos valores de constante dielétrica.
Tabela 10 - Valores das constantes dielétrica teóricas e experimentais das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 sinterizadas a 1050 °C.
.
Fonte: Próprio autor.
Composição
ε
experimentalε
calculadoSc 2,35 2,12
ScBN1 2,21 2,13
ScBN3 1,99 2,10
Na Tabela 11, é possível observar um comparativo entre valores de constante e perda dielétrica para dois materiais da literatura que foram obtidos para aplicação como substratos de alta frequência e a composição ScBN5 sinterizada a 1050 °C que foi obtida no presente trabalho, que apresentou a menor perda dielétrica entre todas as composições estudadas. Foi possível notar a forte dependência da constante dielétrica com a porosidade dos materiais, possuindo o material ScBN5, um valor intermediário de constante dielétrica se comparado a esses dois materiais da literatura. Além disso, o material ScBN5 apresentou perdas dielétricas relativamente baixas e próximas às perdas obtidas pelos materiais dos dois autores citados. Perdas próximas desses valores são requeridas para materiais que operem como substratos de alta frequência, para aumentar a eficiências dos dispositivos de comunicação sem fio.
Tabela 11 - Comparativo entre constante e perda dielétrica de dois materiais da literatura obtidos para aplicação dielétrica de alta frequência e o material ScBN5 sinterizado a 1050 °C obtido no presente trabalho.
Fonte: Próprio autor.
Material Porosidade
aparente Constante dielétrica Perda dielétrica
h-BN - SiO2 sinterizado a 1800 °C (TIAN et al., 2019) 77,20 % 1,41 1,85 x 10-3 ScBN5 sinterizado a 1050 °C 48,15 % 2,22 1 x 10-4 h-BN - Si3N4 sinterizado a 1800 °C (FENG et al., 2016) 20,5 % 5,14 8,5 x 10-3