Análise de antenas utilizando substrato cerâmico, zpt, produzido por síntese auto propagante para aplicações em sistemas de micro-ondas

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ANÁLISE DE ANTENAS UTILIZANDO SUBSTRATO

CERÂMICO,

ZPT

, PRODUZIDO POR SÍNTESE AUTO

PROPAGANTE PARA APLICAÇÕES EM SISTEMAS

DE MICRO-ONDAS

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Análise de Antenas utilizando Substrato Cerâmico,

ZPT, produzido por Síntese Auto Propagante para

Aplicações em Sistemas de Micro-Ondas

Joêmia Leilane Gomes de Medeiros Martins

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Natal – RN Junho de 2013

Tese de Doutorado apresentada ao Programa de

Análise de Antenas utilizando Substrato Cerâmico,

ZPT, produzido por Síntese Auto Propagante para

Aplicações em Sistemas de Micro-Ondas

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Tese de Doutorado aprovada em 07 de junho de 2013 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:

Orientador e presidente: Prof. Dr. Laércio Martins de Mendonça...UFRN

Co-orientador: Prof. Dr. João Bosco Lucena de Oliveira...UFRN

Membro interno da banca: Prof. Dr. Adaildo Gomes d’Assunção...UFRN

Membro externo da banca: Prof. Dr. Alfredo Gomes Neto...IFPB

______________________________________________________________________

Dedico

“Se eu vi mais longe, foi por estar de pé sobre ombros de gigantes.”

Agradecimentos

Agradeço a Deus, por ter me dado força durante a realização de mais uma etapa da minha vida! Sem a luz divina, eu nada seria.

Agradeço ao meu esposo, Leonardo Martins Caetano, por todo amor e incentivo durante a realização deste trabalho e concretização de mais uma etapa de nossas vidas.

Agradeço carinhosamente aos meus pais, José Costa e Maria de Lourdes, por terem sido o contínuo apoio em todos estes anos, ensinando-me, principalmente, a importância da construção e coerência de meus próprios valores.

Ao professor Dr. Laércio Martins de Mendonça por ter me acolhido no seu grupo de pesquisa e pelo apoio prestado.

Ao professor Dr. Adaildo Gomes d’Assunção por todo o seu comprometimento, apoio e, sobretudo orientação prestados na realização deste trabalho.

Ao professor Dr. João Bosco Lucena de Oliveira, do Instituto de Química da UFRN, pela orientação e pelas grandes contribuições prestadas a este trabalho.

Aos colegas da pós-graduação pelo companheirismo e amizade prestados no decorrer destes anos de pesquisa, tornando esta tese um grande incentivo para a superação dos nossos próprios limites.

Em especial, agradeço às contribuições de todos os colegas que direta ou indiretamente contribuíram para a conclusão deste trabalho.

Resumo

Substratos cerâmicos têm sido investigados por pesquisadores de todo o mundo e tem despertado um grande interesse na comunidade científica, pelo fato de apresentarem altas constantes dielétricas e um excelente desempenho nas estruturas empregadas.

Tais cerâmicas resultam em estruturas miniaturizadas, com dimensões bem reduzidas e de alta eficiência de radiação.

Neste trabalho, utilizou-se um novo material cerâmico, chamado de titanato de zinco chumbo, na forma de Zn0,8Pb0,2TiO3, capaz de ser utilizado como substrato dielétrico na construção de diversas estruturas de antenas.

O método utilizado na construção da cerâmica foi a Síntese por Combustão Auto-Sustentada a Alta Temperatura (SHS – “Self-Propagating High-Temperature

Synthesis”) que é definido como um processo que utiliza reações altamente exotérmicas para produzir os mais diversos materiais. Uma vez iniciada a reação numa área da mistura reagente, o calor gerado é suficiente para tornar a combustão auto-sustentável, na forma de uma onda que se propaga convertendo a mistura reagente no produto de interesse.

Foram analisados os aspectos da formação do compósito Zn0,8Pb0,2TiO3 por SHS

e os pós obtidos, foram caracterizados. A análise consistiu na determinação dos parâmetros da reação para a formação do compósito, como a temperatura de ignição e os mecanismos de reação.

A produção do compósito Zn0,8Pb0,2TiO3 por SHS, realizada em laboratório, foi

iniciou-se o desenvolvimento das cerâmicas. O produto foi obtido na forma de camadas regulares e alternância de porosidades e as cerâmicas foram obtidas por prensagem uniaxial.

O produto foi caracterizado através de análises de dilatometria, difração de raios-X e análise de microscopia de varredura eletrônica.

Uma das contribuições principais deste trabalho foi o desenvolvimento de um novo material dielétrico, não obstante apresentado anteriormente na literatura. Portanto, as estruturas das antenas apresentadas neste trabalho foram constituídas por novas cerâmicas dielétricas à base de Zn0,8Pb0,2TiO3, geralmente utilizado como substrato dielétrico. Os materiais desenvolvidos foram caracterizados na faixa de micro-ondas. São substratos dielétricos de alta permissividade relativa e baixa tangente de perda. O

software comercial empregado, Ansoft HFSS, baseado no método dos elementos finitos,

foi utilizado na análise das antenas estudadas neste trabalho.

Abstract

Ceramic substrates have been investigated by researchers around the world and has achieved a high interest in the scientific community, because they had high dielectric constants and excellent performance in the structures employed.

Such ceramics result in miniaturized structures with dimensions well reduced and high radiation efficiency.

In this work, we have used a new ceramic material called lead zinc titanate in the form of Zn0,8Pb0,2TiO3, capable of being used as a dielectric substrate in the construction of various structures of antennas.

The method used in constructing the ceramic combustion synthesis was Self-Sustained High Temperature (SHS - "Self-Propagating High-Temperature Synthesis")

which is defined as a process that uses highly exothermic reactions to produce various materials. Once initiated the reaction area in the reaction mixture, the heat generated is sufficient to become self-sustaining combustion in the form of a wave that propagates converting the reaction mixture into the product of interest.

Were analyzed aspects of the formation of the composite Zn0,8Pb0,2TiO3 by SHS powders and characterized. The analysis consisted of determining the parameters of the reaction for the formation of the composite, as the ignition temperature and reaction mechanisms.

The product was characterized by analysis of dilatometry, X-ray diffraction analysis and scanning electron microscopy.

One of the contributions typically defined in this work is the development of a new dielectric material, nevertheless presented previously in the literature. Therefore, the structures of the antennas presented in this work consisted of new dielectric ceramics based Zn0,8Pb0,2TiO3 usually used as dielectric substrate. The materials produced were characterized in the microwave range. These are dielectrics with high relative permittivity and low loss tangent. The Ansoft HFSS, commercial program

employee, using the finite element method, and was used for analysis of antennas studied in this work.

Keywords: Dielectric Resonator Antennas, DRA, Ceramics, Lead Zinc Titanate, ZPT,

Sumário

Capítulo 1 ... 20

Introdução ... 20

1.1 Introdução ... 20

1.2 Motivação e Objetivos ... 21

1.3 Organização do Texto ... 22

Capítulo 2 ... 24

Antenas de Microfita ... 24

2.1 Introdução ... 24

2.2 Antenas de Microfita ... 24

2.3 Estrutura das Antenas de Microfita ... 25

2.4 Métodos de Excitação das Antenas de Microfita ... 32

2.5 Métodos de Análise de Antenas de Microfita ... 35

2.6 Conclusões ... 36

Capítulo 3 ... 37

Antenas de Ressoador Dielétrico ... 37

3.1 Introdução ... 37

3.2 Antenas de Ressoador Dielétrico ... 38

3.3 Métodos de Excitação aplicados às Antenas de Ressoador Dielétrico ... 40

3.4 Geometrias de DRA ... 42

3.5 Largura de Banda das Antenas de Ressoador Dielétrico ... 44

3.6 Conclusões ... 45

Capítulo 4 ... 46

Construção de Substrato Cerâmico através da Síntese Auto-Propagante em Alta Temperatura ... 46

4.1 Introdução ... 46

4.2 Síntese Auto-Propagante em Alta Temperatura (SHS) ... 47

4.3 Cálculos Estequimétricos dos Reagentes utilizados na Reação de SHS para obtenção do composto ZPT ... 51

4.4 Procedimento Experimental ... 54

4.5 Conclusões ... 57

Capítulo 5 ... 58

Caracterização Estrutural e Elétrica do Compósito Cerâmico ZPT ... 58

5.1 Introdução ... 58

5.2 Caracterização Estrutural das Cerâmicas ... 59

5.3 Caracterização Elétrica das Cerâmicas ... 67

5.4 Processo de Determinação da Permissividade Elétrica e Tangente de Perdas da Cerâmica ZPT ... 67

5.5 Método de Nicholson-Ross-Weir para obtenção dos valores de Permissividade Elétrica e Tangente de Perdas da Cerâmica ZPT ... 69

5.6 Resultados das Medições para obtenção dos Valores de Permissividade Elétrica e Tangente de Perdas da Cerâmica ZPT ... 72

5.7 Conclusões ... 73

Modelagem e Análise dos Resultados das Antenas Propostas ... 75

6.1 Introdução ... 75

6.2 Método dos Elementos Finitos ... 76

6.3 Projeto das Antenas ... 76

6.4 Conclusões ... 97

Capítulo 7 ... 98

Conclusões ... 98

Lista de Figuras

Figura 2.1: Estrutura padrão de uma antena de microfita... 26

Figura 2.2: Formatos mais comuns adotados para o elemento irradiador. ... 28

Figura 2.3: Alimentação através de probe coaxial. ... 34

Figura 3.1: Blocos de cerâmicas dielétricas desenvolvidas em laboratório. ... 39

Figura 3.2: Excitação de DRA utilizando probecoaxial. ... 40

Figura 3.3: Excitação da DRA hemisférica utilizando acoplamento por abertura. ... 40

Figura 3.4: Excitação da DRA utilizando linha de microfita. ... 41

Figura 3.5: Antena de ressoador dielétrico hemisférica. ... 43

Figura 4.1: Nitrato de zinco. ... 51

Figura 4.2: Nitrato de chumbo. ... 52

Figura 4.3: Dióxido de titânio... 52

Figura 4.4: Uréia (CO(NH2)2. ... 53

Figura 4.5: Temperatura de ignição do processo de síntese de combustão. ... 56

Figura 4.6: Cerâmicas de Zn0,8Pb0,2TiO3 construídas para a utilização de substrato dielétrico na aplicação em antenas para a faixa de micro-ondas. ... 57

Figura 5.1: Pó da amostra de Zn0,8Pb0,2TiO3 utilizado para o resultado de dilatometria.60 Figura 5.2: Dilatometria da amostra de Zn0,8Pb0,2TiO3. ... 61

Figura 5.3: Difratograma de raios-X da cerâmica de Zn0,8Pb0,2TiO3. ... 62

Figura 5.4: Amostras da cerâmica Zn0,8Pb0,2TiO3 utilizadas para a análise do MEV. ... 63

Figura 5.5: Equipamento utilizado na análise de microscopia eletrônica de varredura. 64 Figura 5.6: MEV do pó no modo secundário e retroespalhado. ... 65

Figura 5.7: Medidas dos grãos nanométricos do pó após a síntese de combustão. ... 65

Figura 5.8: MEV da cerâmica sinterizada no modo secundário e retroespalhado. ... 66

Figura 5.9: Medidas dos grãos densificados e com um aumento de tamanho... 66

Figura 5.10: Vista geral do sistema montado, com o porta amostra localizado entre o adaptador da porta 1 e da porta 2. ... 68

Figura 5.11: Configuração mais detalhada do sistema de medição do guia de onda. .... 68

Figura 5.12: Detalhes da inserção da amostra no corpo de prova do guia de onda. ... 69

Figura 5.13: Porta amostra com o corpo de prova da cerâmica ZPT... 69

Figura 5.14: Permissividade elétrica do substrato cerâmico ZPT em função da frequência. ... 72

Figura 5.15: Tangente de perdas do substrato cerâmico ZPT em função da frequência. 73 Figura 6.1: Representação das dimensões da antena de microfita com patch retangular. Substrato cerâmico (a), vista superior (b). ... 78

Figura 6.2: Estrutura da antena de microfita com patch retangular utilizando substrato cerâmico ZPT simulada no Ansoft HFSS. ... 79

Figura 6.4: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a antena

patch retangular com substrato cerâmico ZPT. ... 80

Figura 6.5: Carta de Smith com representação da frequência de ressonância inferior de

7,32 GHz. ... 82 Figura 6.6: Comparativo do VSWR medido e simulado para a antena patch de microfita

com substrato ZPT. ... 83

Figura 6.7: Diagrama de irradiação 2D da diretividade total para os planos

φ

= e

90

φ

= para a antena patch de microfita com substrato ZPT. ... 84

Figura 6.8: Diagrama de Radiação 3D para o ganho total da antena patch de microfita

com substrato ZPT. ... 84

Figura 6.9: Representação das dimensões da antena de microfita com patch retangular

utilizando inset-fed. Substrato (a) vista superior, (b) vista inferior. ... 85

Figura 6.10: Estrutura da antena de microfita com inset fed simulada no Ansoft HFSS. 86

Figura 6.11: Setup de medições da antena de microfita com patch retangular utilizando

substrato ZPT. ... 87

Figura 6.12: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a antena

patch com inset fed utilizando substrato cerâmico ZPT. ... 88

Figura 6.13: Carta de Smith com representação da frequência de ressonância inferior de

7,59 GHz. ... 90 Figura 6.14: Comparativo do VSWR medido e simulado para a antena patch de microfita

com inset-fed utilizando substrato ZPT. ... 91

Figura 6.15: Diagrama de irradiação 2D da diretividade total para os planos

φ

= e

90

φ

= para a antena patch com inset fed. ... 92

Figura 6.16: Diagrama de Radiação 3D para o ganho total da antena patch de microfita

com inset fed utilizando substrato cerâmico ZPT. ... 92

Figura 6.17: Geometria da CDRA depositada sobre um plano de terra e excitada por

probe coaxial. ... 93

Figura 6.18: Estrutura da CDRA simulada no Ansoft HFSS. ... 94

Figura 6.19: Medições da CDRA utilizando o analisador de redes... 94 Figura 6.20: Comparativo da perda de retorno em função da frequência para a CDRA.95 Figura 6.21: Carta de Smith com representação da frequência de ressonância de 4,58

Lista de Tabelas

Tabela 2. 1: Formatos mais comuns adotados para o elemento irradiador. ... 31 Tabela 4.1: Materiais utilizados na obtenção de pós por reação de combustão. ... 53 Tabela 4.2: Massa dos reagentes, em gramas, empregadas na produção de 20 gramas de

Zn0,8Pb0,2TiO3. ... 54 Tabela 4.3: Duração do processo de síntese de combustão. ... 55 Tabela 6.1: Dimensões da antena patch de microfita com substrato cerâmico ZPT. ... 78

Tabela 6. 2: Resultados simulados e medidos para as frequências de ressonância

apresentadas para a antena patch retangular com substrato cerâmico ZPT. ... 81

Tabela 6.3: Dimensões da antena patch de microfita com inset-fed utilizando substrato

cerâmico ZPT. ... 86

Tabela 6.4: Resultados simulados e medidos para as frequências de ressonância apresentadas para a antena patch retangular com inset fed utilizando substrato

cerâmico ZPT. ... 89

Tabela 6.5: Resultados simulados e medidos para as frequências de ressonância

Lista de Símbolos e Abreviaturas

r

f Frequência de ressonância

τ

µ _{Permeabilidade magnética}

0

µ

µ

0

ε

Z0 Impedância característica da linha de microfita eff

ε Permissividade efetiva

w0 Largura da linha de microfita

h Espessura do substrato de microfita

1

r

ε

2

r

ε

TLM Modelo da linha de transmissão

FDTD Método das diferenças finitas no domínio do tempo

HFSS Simulador estrutural de alta frequência produzido pela Ansoft

TLMM Modeloda linha de transmissão matricial

ITS Sistemas de transporte inteligente DR Ressoador dielétrico

DRA Antenas de ressoador dielétrico Q Fator de qualidade

a Raio do cilindro BW Largura de banda

VSWR Relação de onda estacionária

SHS Síntese auto-propagante de alta temperatura

IPT Instituto de pesquisas tecnológicas do estado de São Paulo K Unidade de temperatura em kelvin

Zn(NO3)2 . 6H2O Nitrato de zinco

Pb(NO3)2 Nitrato de chumbo

TiO2 Dióxido de titânio

CO(NH2)2 Uréia

ABO3 Estrutura de uma perovskita

α

MEV Microscopia de varredura eletrônica

Γ Coeficiente de reflexão

Ω Ohms

y0 Comprimento do inset-feed

Wp Largura do patch

Lp Comprimento do patch

Wa Largura da linha de alimentação

ZPT

W

L

La

Titanato de Zinco Chumbo Largura do patch da antena

Altura do patch da antena

Trabalhos publicados pelo autor

[1] Medeiros, J. L. G.; Araújo, W.C., d'Assunção, A. G.; Mendonça, L. M., Oliveira, J. B. L. "Investigation on ZPT ceramics applied as dielectric resonator antenna for ultra wideband systems", Microwave and Optical Technology Letters (Print) , v. 55, p. 1352-1355, 2013.

[2] Medeiros, J. L. G., Neto, V. P. S., d'Assunção, A. G.; Mendonça, L. M; Oliveira, J. B. L., “Analysis of Microstrip Patch Antennas on Nanostructured Ceramic Substrate by an Iterative Method Based on Transversal Wave Concept”, Conference on the Computation of Electromagnetic Fields, 2013, Budapest. 19th International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields - COMPUMAG 2013.

[3] Medeiros, J. L. G. ; A. G. d´Assunção ; L. M. Mendonça . “Microstrip Fractal Patch Antennas Using High Permittivity Ceramic Substrate”. IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC/URSI National Radio Science Meeting, 2012, Chicago, USA. Proceedings of AP-S 2012.

[4] Medeiros, J. L. G., W. C. de Araújo, A. G. d´Assunção, L. M. Mendonça, J. B. L. de Oliveira. “Simulation and Measurement of Microstrip Antennas on a ZPT Perovskite Ceramic Substrate”. CEFC 2012, 2012, Oita. 15th Biennial Conference on Electromagneti Fieldd Compuation (CEFC2012), 2012.

Integrated Ring and Dipole Elements”. CEFC 2012, 2012, Oita. 15th Biennial Conference on Electromagneti Fieldd Compuation (CEFC2012), 2012.

Capítulo 1

Introdução

1.1

Introdução

As novas gerações da tecnologia vão surgindo e com esse crescente desenvolvimento, surge a busca incessante por novos materiais e dispositivos que consigam acompanhar a evolução da tecnologia e do mundo moderno. A rápida evolução da tecnologia e das comunicações sem fio tornou possível o desenvolvimento de diversas aplicações a algumas décadas atrás.

O crescimento aponta para sistemas que se adequem as mais variadas aplicações, assim como, conjugadas a essa característica também possam atrair o interesse da comunidade científica, tornando-se um objeto de estudo para novas descobertas, tornando dispositivos de banda larga capazes de operar em diversos serviços, de acordo com o espectro de frequência de interesse.

Atualmente, quase todos os dispositivos modernos e móveis possuem características sem fio. Isto se deve principalmente aos incansáveis esforços da indústria eletrônica e de telecomunicações para a melhora do desempenho e da funcionalidade dos dispositivos, ao mesmo tempo em que se reduzem seus tamanhos e custos.

Assim, é muito importante o surgimento de novos materiais que conjugados possam criar novas antenas com características banda larga, com boas características elétricas e um ganho relativamente estável na banda de operação.

1.2

Motivação e Objetivos

A motivação descrita nesta tese iniciou a partir dos vários estudos envolvendo a linha de pesquisa que os compostos cerâmicos apresentam, assim, como suas mais diversas áreas de atuação [1-5].

Partindo deste princípio, existe na literatura um material cerâmico bastante conhecido, cuja nomenclatura é dada pela sigla PZT e é chamado de titanato zirconato

de chumbo. Tal material possui uma estrutura perovskita que tem uma propriedade única de polarização espontânea, reversível quando aplicada a um campo elétrico.

Esta cerâmica PZT tem sido utilizada em várias aplicações de alto desempenho

tais como sistemas de ignição, sensores e atuadores e muitas aplicações de engenharia, tornando-a uma cerâmica muito importante de investigação e bastante útil nas eletrocerâmicas [1, 6-9].

Uma outra vantagem importante é que as cerâmicas PZT possuem uma

resistência a elevadas temperaturas [10-13]. Embora vários estudos tenham sido conduzidos de modo a investigar as propriedades da cerâmica PZT [47-48], o objeto de

estudo desta tese é inovar, criando a partir deste composto um novo material cerâmico, não citado anteriormente na literatura, e consequentemente, investigar as propriedades que esta nova cerâmica irá apresentar para as aplicações em antenas de microfita e antenas ressoadoras dielétricas que sejam capazes de operar na faixa de micro-ondas.

Sendo assim, o objetivo deste trabalho é a investigação de uma nova cerâmica capaz de operar nas mais diversas geometrias de antenas. Aqui, esta cerâmica terá uma nomenclatura similar às tão conhecidas cerâmicas PZT e será nomeada pelo acrônimo

ZPT, ou titanato de zinco chumbo, que se difere das cerâmicas PZT na sua composição,

toda a estrutura estequiométrica necessária para a construção da mesma, assim, como toda a análise estrutural e elétrica desse novo material investigado.

A linha de pesquisa aqui abordada é muito promissora e apresenta um rendimento muito satisfatório, sendo muito abordada por novos pesquisadores da área em busca de novos conhecimentos.

1.3

Organização do Texto

Este trabalho encontra-se distribuído em 7 capítulos, buscando-se evidenciar todo o referencial teórico e bibliográfico para o estudo desta tese.

O Capítulo 2 apresenta um referencial teórico a respeito da teoria de antenas de microfita, desde o seu surgimento até as vantagens que elas oferecem. É mostrado neste capítulo toda a estrutura destas antenas, assim como os métodos mais comuns de excitação e de análises fundamentados para estas estruturas.

O Capítulo 3 descreve sobre as antenas ressoadoras dielétricas (DRA), suas

geometrias e métodos mais comuns de excitação utilizados.

O Capítulo 4 aborda a construção do substrato cerâmico através da síntese auto-propagante em alta temperatura, descrevendo o procedimento teórico realizado neste tipo de reação, assim como todos os procedimentos utilizados para a construção da cerâmica ZPT, na investigação deste novo compósito não existente na literatura, e que possui alta constante dielétrica, sendo este aplicado na construção de geometrias de antenas de microfita e antenas DRA.

O Capítulo 5 analisa as propriedades da cerâmica ZPT, incluindo as medições

das suas propriedades dielétricas complexas, de permissividade elétrica (εr) e da

tangente de perdas (δ), a partir de uma amostra dessa cerâmica inserida no guia de onda

Nicholson-Ross-Weir (NRW). Também são descritos as análises de dilatometria, difração de

raios-X e microscopia eletrônica de varredura para a cerâmica investigada.

O Capítulo 6 descreve a modelagem e análise dos resultados das antenas propostas com a utilização da cerâmica ZPT. Foram estudadas três geometrias de antenas. Uma antena de microfita com patch retangular. Outra geometria proposta foi a antena de microfita com reentrâncias. A terceira estrutura mostra a análise do substrato cerâmico funcionando como uma antena ressoadora dielétrica, todas elas capazes de operar em frequências de micro-ondas e apresentando boa concordância entre seus resultados simulados e medidos.

Capítulo 2

Antenas de Microfita

2.1

Introdução

As antenas de microfita são largamente aplicadas em setores da aeronáutica, espaçonaves e nas indústrias de telecomunicações, especialmente em aparelhos celulares e outros dispositivos móveis de comunicação sem fio. Tal popularidade deve-se às características atrativas como estrutura simples, baixo custo de fabricação, robustez mecânica quando montadas em superfícies rígidas e versatilidade em relação à frequência de ressonância, polarização, eficiência, diagrama de irradiação e impedância [14].

Neste capítulo, além da contextualização das antenas de microfita, também são abordados aspectos básicos de análise e desempenho dessas antenas, tais como geometrias comumente utilizadas, substratos, diagrama de irradiação, técnicas de alimentação. Uma revisão da literatura é apresentada visando situar o trabalho no contexto.

2.2

Antenas de Microfita

[16-18], dentre eles, o artigo que relatava a praticidade dessas antenas na aplicação de foguetes e mísseis, como descrito em [19].

Em 1977, de acordo com [20], foi publicada a primeira análise matemática de uma ampla variedade de patches de microfita. No final da década de 70, tais antenas se

difundiram por diversos sistemas de comunicação e, desde então, surgiu um interesse crescente por novos meios de utilizá-las.

De acordo com vários trabalhos existentes na literatura, essas estruturas apresentam várias características importantes [14, 21], tais como:

• tamanho reduzido; • baixo custo; • leveza;

• adaptabilidade a superfícies curvas; • largura de banda estreita;

• baixa eficiência de radiação;

• compatibilidade com circuitos integrados; • radiação em apenas 1 hemisfério;

• existência de ondas de superfície.

Tais características não devem ser confundidas como eventuais vantagens ou desvantagens, uma vez que essa capacidade de definição é reservada apenas às aplicações desejadas.

2.3

Estrutura das Antenas de Microfita

radiador, chamado de patch, depositado sobre um substrato dielétrico que, por sua vez,

contém outro plano metálico em sua face inferior, chamado de plano de terra.

Os diferentes tipos de antenas impressas são distinguíveis principalmente pela geometria do elemento irradiador. A Figura 2.1 mostra a forma convencional dessa estrutura.

Figura 2.1: Estrutura padrão de uma antena de microfita.

De acordo com a Figura 2.1, será adotado W como sendo o lado não ressonante,

ou seja, a largura do elemento irradiador; L representa o comprimento, ou seja, o lado

ressonante.

Formulações matemáticas estão disponíveis para estimar o comprimento ressonante (L), mas, na prática, são frequentemente necessários alguns ajustes

empíricos. Um valor aproximado para o comprimento do elemento irradiador é descrito em [19], conforme a equação 2.1:

0, 49 d 0, 49

L

r

λ

λ

ε

sendo ε o comprimento de onda no espaço livre, εd o comprimento de onda no

dielétrico, e

ε

0 0

1

2 2 r ref

L L

f

ε

µ

ε

= − ∆ (2.2)

Segundo [21], para se obter uma radiação eficiente, a largura (W) do elemento

irradiador pode ser calculada na forma:

1

2 2

c _r

W

f r

ε

= (2.3)

sendo f_ra frequência de ressonância.

Serão descritos na sequência, fundamentos sobre o patch, o substrato e o plano

de terra, expondo suas finalidades e influência no desempenho da antena.

2.3.1 Geometria do Patch

O patch é uma lâmina metálica normalmente condutora, onde sua composição

geralmente é o cobre. Em aplicações de ondas milimétricas, por exemplo, o ouro é mais utilizado, pois possui as características de possuir maior condutividade elétrica.

Tal condutor é considerado o elemento irradiador das antenas de microfita e, de acordo com a Figura 2.1, possui uma espessura τ , muito pequena quando comparada ao comprimento de onda no espaço livre, isto é,

τ

λ

De acordo com a sua geometria, a distribuição de corrente sofre influência, principalmente, no perfil do campo da superfície da antena. Assim, o patch pode

como é o caso dos fractais, mas, devido a facilidade na análise das estruturas, os formatos regulares — retangular e circular, são mais utilizados.

Na Figura 2.2 são apresentados alguns modelos de geometrias de patch.

Figura 2.2: Formatos mais comuns adotados para o elemento irradiador.

Além disso, esses elementos podem ser combinados entre si, compondo novas estruturas, conhecidas como arranjos de antenas de microfita [14]. Por meio deles, pode-se aumentar a largura de banda da antena e, principalmente, atingir características de diretividade impossíveis de se alcançar com um único elemento.

2.3.2 Substratos

O substrato é um dos componentes fundamentais das antenas de microfita. Ele normalmente é encontrado como uma camada entre o patch e o plano de terra,

entretanto às vezes pode ser substituído por uma camada de ar, que é o exemplo das antenas com substrato suspenso. Existem, também, estudos de antenas multicamadas, que possuem várias camadas de substrato em uma mesma antena de microfita.

• Propagação em modo quase-TEM (Transversal Eletromagnético); • Surgimento das ondas de superfície;

• Comportamento anisotrópico.

Diversos materiais podem ser utilizados como substratos dielétricos nos projetos de antenas de microfita. Existem dois critérios importantes a se avaliar em um material: seus valores relativos de permeabilidade magnética e permissividade elétrica.

A escolha desses substratos depende de suas propriedades mecânicas e térmicas, como também, do tipo de comportamento eletromagnético que se deseja obter.

Nesse sentido, a permeabilidade magnética é mensurada pelo quanto um material é capaz de dar suporte à formação de um campo magnético em seu interior, ou seja, é o grau de magnetização que um material adquire em resposta à exposição a um campo magnético aplicado.

Ela é representada pela letra grega µ e costuma ser citada com seu valor relativo,

dado pela razão entre seu valor total e a permeabilidade magnética do vácuo, conhecida como:

7 0 4 10x H m/

µ ₌ π − (2.4)

sendo, a permeabilidade relativa dada por:

0

r

µ µ

µ

= (2.5)

Seus valores são desprezíveis na maioria dos materiais encontrados na natureza. Assim, meios diamagnéticos (µr < 1) e paramagnéticos (com µr ligeiramente superior a

Além desses, são considerados atualmente também os materiais ferrimagnéticos, tais como a ferrita, possuindo propriedades semelhantes às dos ferromagnéticos, à exceção de que seus íons não são completamente alinhados e, portanto, nem todos contribuem para o crescimento da resposta magnética. Tais meios têm atraído a atenção da comunidade científica por serem capazes de apresentar naturalmente valores de permeabilidade negativos, sob algumas faixas de operação.

A permissividade elétrica relativa também é conhecida como constante dielétrica relativa e seu símbolo é

ε

Matematicamente, sua expressão é representada pela seguinte equação:

0

r

ε ε

ε

= (2.6)

onde 12

0 8,854 10x F m/

ε ₌ − _{é a permissividade elétrica do vácuo. Para os projetos de}

antenas, costuma-se trabalhar com uma faixa com valores de 2, 2≤ε ≤12.

Substratos finos com valores elevados de constante dielétrica são desejáveis em circuitos de micro-ondas, pois ocupam menos espaço e garantem um melhor confinamento dos campos, minimizando radiação e acoplamentos indesejáveis. Por outro lado, têm perdas maiores e uma largura de banda mais estreita [14].

Os materiais com

ε

Materiais Dielétricos Constante Dielétrica (

ε

Alumina 9,7-10,3

Ar 1,0006

RT/Duroid 6010LM 10,2

Fibra de Vidro 4,4

Vácuo 1

Tabela 2. 1: Formatos mais comuns adotados para o elemento irradiador.

2.3.3 Plano de Terra

De modo semelhante ao patch, também é composto por uma fita metálica,

situada na face inferior do substrato da antena. Ele tem uma função refletora, evitando a formação de um lóbulo traseiro mais forte, além de servir como um mecanismo de aterramento. Teoricamente, muitas vezes o plano de terra é definido como infinito, para simplificação de cálculo. Na prática, usa-se um plano um pouco maior do que os limites do substrato para simular essa característica.

insere mais descontinuidades na microfita, acarretando o aumento das ondas de superfícies.

Uma possibilidade mais vantajosa de abertura da banda é a inclinação do plano de terra, que têm se mostrado eficiente, dada sua capacidade de se adaptar a novos ângulos de inclinação sem a necessidade de reprojetar a antena.

2.4

Métodos de Excitação das Antenas de Microfita

Existem várias técnicas de alimentação das antenas de microfita. Dentre as técnicas mais conhecidas e utilizadas tem-se:

• a alimentação por linha de microfita [14]; • sonda coaxial ou probe coaxial [14];

• acoplamento por abertura [14]; • acoplamento por proximidade [14].

A alimentação por linha de microfita é definida como uma fita condutora, de largura muito pequena, quando esta é comparada à largura do patch. Trata-se de uma

técnica de alimentação simples, de fácil fabricação e que possibilita ainda, um bom casamento de impedâncias entre a linha de microfita e o patch. O casamento de

impedâncias entre a linha e o patch pode ser controlado com o posicionamento do ponto

de inserção da linha. Uma maneira de otimizar o casamento de impedâncias para as antenas patches é utilizando reentrâncias (inset-feed), pode ser determinado através da

variação do espaçamento que existe entre a linha de alimentação e o patch condutor, ao

qual deve ser considerada a partir da borda do patch em direção ao seu centro. Esta

Existem na literatura modelos clássicos que permitem o cálculo das dimensões da linha de microfita, como descrito, em [22]. A obtenção dessas dimensões inicia-se com o cálculo da impedância característica da linha (Z0):

0 1/2

60 8

ln 0, 25

eff h w Z w h

ε

A permissividade efetiva (εeff) é dada por:

1/2 2

1 1 12

1 0,04 1

2 2 r r eff h w w h

ε

ε

ε

considerando que w/h < 1, onde w0é a largura da linha e h a espessura do substrato. Para w/h ≥ 1, tem-se:

( )

0 1/2

120 1

1,393 0,667 ln 1, 4444 eff Z w w h h

π

ε

Para A < 1,52:

8exp( ) exp(2 ) 2

w A

h = A −

(2.11)

Para A ≥ 1,52, tem-se:

1

2 0, 61

1 ln(2 1) ln( 1) 0,39

2

r

r r

w

B B B

h

ε

π ε ε

  ₋   =  − − − +  − + −      (2.12)

1/2

0 1 1 _{0, 23} 0,11

60 2 1

r r

r r

Z

A

ε

ε

ε

ε

B Z

π ε

= (2.14)

Uma outra técnica de alimentação muito utilizada é por meio de cabo coaxial ou

probe coaxial, onde o conector externo é conectado ao plano de terra enquanto o

condutor interno do cabo é introduzido diretamente no patch por meio de uma

perfuração feita no substrato, como ilustra a Figura 2.3.

Figura 2.3: Alimentação através de probe coaxial.

Essa técnica também apresenta facilidade de fabricação e bom casamento de

impedâncias, que ocorre conforme a localização do cabo, além de apresentar baixa

radiação espúria e também será analisada em uma das geometrias de antenas propostas

neste trabalho, apresentado no capítulo 5.

Uma outra técnica de alimentação de antenas de microfita é o acoplamento por

abertura que é considerada uma das técnicas que apresenta maiores dificuldades de

fabricação. Esse tipo de acoplamento utiliza basicamente duas camadas de substrato

constante dielétrica

ε

por sua vez fica localizado na camada superior, com constante dielétrica

ε

ou fenda existente no plano de terra é o que separa as duas camadas de substrato.

Existe também, uma outra técnica de alimentação bastante conhecida, que o

acoplamento por proximidade, caracterizado pela linha de alimentação ser posicionada

entre o patch e o plano de terra, tendo em vista que estes são separados por uma camada

de substrato. Isso permite que maiores larguras de banda sejam alcançadas e uma

redução na irradiação de espúrios pode ser alcançada.

A seleção do método de alimentação leva em conta certos objetivos, tais como:

• Assegurar a qualidade da transferência de potência entre a antena e o

alimentador, ou seja, do casamento de impedâncias;

• Minimizar o nível de radiação espúria, bem como seus efeitos no diagrama de

radiação.

2.5

Métodos de Análise de Antenas de Microfita

Existem diversos métodos para a análise de antenas de microfita, que podem ser

classificados em dois grandes grupos:

• Métodos aproximados: que faz uso de expressões empíricas e

simplificações.

• Métodos de onda completa: baseados em equações integrais de

Sommerfeld.

• Métodos de análises detalhadas no domínio do tempo e/ou da frequência.

Dentre os métodos aproximados, exemplos importantes são:

• Modelo da Linha de Transmissão ou Transmission Line Method (TLM)

• Modelo da Cavidade [14].

Já os métodos de onda completa possui uma classificação:

• Método das Diferenças Finitas no Domínio do Tempo — FDTD: que

operam no aspecto temporal [14].

• Potenciais Vetoriais de Hertz, método da Imitância e o Método dos

Elementos Finitos (adotado pelo Ansoft HFSS) [14].

Há ainda a variante tridimensional do TLM, que é o TLMM, que opera em

ambos os domínios.

A seleção do método de análise depende de vários critérios, tais como, o tipo de

estrutura estudado, parâmetros de resposta desejados, nível de precisão exigido,

disponibilidade de tempo, processamento computacional, faixa de frequências desejada.

2.6

Conclusões

Neste capítulo foi apresentada a fundamentação teórica das antenas de microfita,

destacando-se suas principais características, tais como a composição básica da sua

estrutura, as geometrias mais utilizadas do patch, seus principais métodos de

Capítulo 3

Antenas de Ressoador Dielétrico

3.1

Introdução

Os materiais dielétricos aplicados em micro-ondas desempenham um

papel-chave na sociedade global, com uma vasta variedade de aplicações, que vão desde à

comunicação terrestre até os satélites. Novos projetos são obrigatórios e importantes a

fim de atender às especificações dos atuais e dos futuros sistemas. O crescimento que

tem surgido em sistemas de transporte inteligente (ITS), radiodifusão por satélite e em

telecomunicações de micro-ondas, resultou em um aumento da procura de ressoadores

dielétricos (DR’s).

Ressoadores dielétricos geralmente consistem de um disco de cerâmica, que tem

uma alta permissividade e um baixo fator de dissipação, usados principalmente em

dispositivos de comunicação sem fio.

Todo esse crescimento revolucionário no campo dos sistemas de comunicação

sem fio possui um dispositivo principal que é a antena. Para o desenvolvimento de

antenas altamente eficientes, de baixo custo e pequeno porte que possam ser embutidas

em produtos sem fio, são necessários dispositivos que se adequem à portabilidade e

segurança, que possuam um baixo consumo de energia e dispositivos sem fio que

Nos últimos anos, duas classes de antenas foram bastante investigadas: as

antenas de microfita, relatadas no capítulo 2 desta tese e as antenas ressoadoras

dielétricas (DRA’s). Ambas são altamente adequadas para o desenvolvimento destes

sistemas modernos de comunicação sem fio. Neste capítulo, serão relatados os

conhecimentos básicos sobre os estudos relacionados às antenas ressoadoras dielétricas

e suas principais aplicações.

3.2

Antenas de Ressoador Dielétrico

Durante muitos anos, o ressoador dielétrico (DR) foi utilizado principalmente,

em circuitos de micro-ondas, tais como osciladores e filtros. Geralmente, eles são

construídos de material de alta permissividade, com constante dielétrica

ε

fator de qualidade (Q) com variações entre 50 e 500, mas, que podem ser tão elevada

podendo chegar à 10.000.

Tendo em vista todas estas aplicações tradicionais, os ressoadores dielétricos

geralmente eram tratados como um dispositivo de armazenamento de energia em vez de

um elemento radiante. Embora os ressoadores dielétricos abertos tenham sido usados

durante muitos anos para irradiar [23-27], a ideia de usá-lo como uma antena não foi

amplamente aceita até o surgimento do primeiro artigo original de uma antena

ressoadora dielétrica cilíndrica (CDRA) [23-27], publicado em 1983.

Após o surgimento desses estudos de CDRA, foram investigados,

posteriormente, novas geometrias de DRA: a retangular e a hemisférica [23-27]. Tais

trabalhos foram o princípio de futuras investigações sobre as antenas ressoadoras

dielétricas. Outras formas, também, foram estudadas, incluindo os formatos

triangulares, de cápsulas esféricas e cilíndricas em formato de anel.

Figura 3.1: Blocos de cerâmicas dielétricas desenvolvidas em laboratório.

Verificou-se que, independente das formas, seus modos fundamentais de

operação irradiam como um dipolo magnético.

Em comparação com as antenas de microfita, as antenas ressoadoras dielétricas

tem uma largura de banda muito maior (~ 10%, para constantes dielétricas

ε

ocorre porque a antena de microfita irradia somente através de duas fendas estreitas de

radiação, enquanto que a DRA irradia através de toda a sua superfície, exceto a parte

com plano de terra.

Apesar de possuírem muitas características em comum, existe uma vantagem

que tornam as DRA’s mais atraentes do que as antenas de microfita, pois as mesmas

evitam os efeitos indesejados das ondas de superfície.

Além disso, praticamente todos os métodos de excitação aplicáveis à antena de

3.3

Métodos de Excitação aplicados às Antenas de Ressoador

Dielétrico

Vários são os métodos de excitação estudados ao longo dos anos. Exemplos

disso, pode-se citar:

1. A excitação por probe coaxial [23-25, 28-30], Figura 3.2.

Figura 3.2: Excitação de DRA utilizando probecoaxial.

2. O acoplamento por abertura, Figura 3.3.

3. A alimentação por linha de microfita [26-27, 30-37], Figura 3.4, entre

outros.

Figura 3.4: Excitação da DRA utilizando linha de microfita.

Para a maioria das aplicações práticas, independente da sua utilização, a energia

das DRA’s deve ser acoplada para dentro ou para fora do elemento por meio de uma ou

mais portas. O tipo de porta utilizada na excitação e a sua localização em relação à DRA

determina qual o modo que vai ser excitado e a quantidade de energia que será acoplada

entre a porta e a antena. Os modos de excitação gerados e a resposta em frequência são

muito importantes na determinação do seu desempenho. Embora haja uma dificuldade

em determinar seus parâmetros sem a utilização de métodos numéricos, uma grande

dose de conhecimento pode ser obtida conhecendo as distribuições de campo

aproximados, fazendo uso do teorema da reciprocidade de Lorentz e a teoria utilizada

3.4

Geometrias de DRA

3.4.1 DRA Cilíndrica (CDRA)

Vários tipos de análises de CDRA cilíndrico foram estudadas em [23-27],

utilizando o modelo de parede magnética, juntamente com a norma de coordenadas

cilíndricas.

3.4.1.1Frequência de Ressonância

A frequência de ressonância é um dos parâmetros importantes e necessário para

projetar uma antena ressoadora dielétrica. O cálculo aproximado da frequência de

ressonância para o TM01δ e modo HE11δ para DRA cilíndrica convencional pode ser

feito de acordo com as expressões abaixo [26, 38]:

Para o modo TM01δ, a frequência de ressonância é calculada por:

(

)

π

π

ε

onde, Q é representado por:

0,888413 0,0397447

4,32226 _3,5

0, 008721

38

1 0,3 0, 2

28

9, 498186 2058,33

rad r r a h Q e a x h a a x e h h

ε

ε

onde, a, h, e

ε

respectivamente.

Para o modo HE11δ, a frequência de ressonância é calculada por:

(

)

2

6,324

0, 27 0,36 0,02

onde, Q é representado por: 2 1 205 2 80 1,3

0, 01007 1 100

a a h h rad r a Q e h

ε

O fator de qualidade (Q), pode ser usado para estimar a largura de banda da DRA,

dada por: 1 rad VSWR BW Q VSWR − = (3.5)

3.4.2 DRA Hemisférica

O primeiro trabalho teórico sobre a análise teórica das DRA’s hemisféricas, foi

idealizado por Leung, em 1993 [38]. A Figura 3.5 mostra esta configuração.

Figura 3.5: Antena de ressoador dielétrico hemisférica.

A geometria hemisférica oferece uma vantagem sobre as formas retangulares e

cilíndricas, onde a interface entre o dielétrico e o ar é mais simples, e assim, uma

3.4.3 DRA Retangular

As DRA’s com geometrias retangulares são ainda mais difíceis de analisar que

àquelas com formato cilíndrico, devido ao aumento dos contornos em suas bordas.

Normalmente, o modelo de guia de onda dielétrico é utilizado para analisar o

problema [36].

Nesta abordagem, a vista superior de sua superfície e duas paredes laterais da

DRA são consideradas paredes magnéticas perfeitas. As outras duas paredes laterais são

magnéticas imperfeitos. Uma vez que, normalmente, o DRA reside em um plano de

terra condução, uma parede elétrica é assumido para a superfície inferior.

Um dos métodos mais precisos de análise, mas, que consome um tempo de

processamento mais elevado, é o FDTD, estudado por Shum e Lucas [36] ao analisar a

geometria de uma DRA retangular excitada por acoplamento de abertura.

3.5

Largura de Banda das Antenas de Ressoador Dielétrico

Técnicas de aprimoramento de largura de banda para as DRA’s têm sido um

assunto bastante discutido na comunidade científica. Estudos preliminares foram

analisados em 1989 por [36], onde duas DRA’s diferentes foram empilhados uma em

cima da outro, gerando multicamadas. Em [26], foi utilizado o método de multicamadas,

com três DRA’s empilhadas para aumentar ainda mais a largura de banda da antena. Em

[37], foi introduzido uma abertura de ar entre as camadas empilhadas das DRA’s.

Foram utilizadas cerâmicas de alta permissividade e bons resultados foram obtidos.

Várias outras estruturas e métodos foram analisados ao longo dos anos para que

Neste trabalho, será discutida uma dessas estruturas, utilizando uma cerâmica de

alta permissividade elétrica e os resultados serão apresentados.

3.6

Conclusões

As antenas ressoadoras dielétricas continuam em crescente ascensão e o seu

desenvolvimento tem sido cada vez mais promissor no desenvolvimento de novas

estruturas. Diferentes aspectos de DRA já foram abordados na literatura e neste capítulo

foram incluídos seus princípios básicos de funcionamento, os método de excitação

utilizados nestas estruturas, as principais geometrias existentes e as vantagens em

termos de largura de banda que estas antenas oferecem. Várias teorias têm sido

desenvolvidas e confirmadas por medições e muitas aplicações podem ter espaço

Capítulo 4

Construção de Substrato Cerâmico

através da Síntese Auto-Propagante em

Alta Temperatura

4.1

Introdução

Sabe-se que as condições de crescimento do cristal mudam significativamente as

suas propriedades. Assim, a escolha do método de síntese é muito importante para que

se obtenha um produto com as características desejadas. Vários métodos de síntese já

foram utilizados para a preparação dos mais diversos tipos de cerâmicas, de pós e filmes

finos com a mais alta variedade de compostos [44-57].

Entre os métodos de síntese mais utilizados pode-se destacar o método

convencional de mistura de óxidos no estado sólido, o método hidrotermal, o método

dos precursores poliméricos e o método da combustão, conhecido como síntese

auto-propagante de alta temperatura (SHS), que foi o método de síntese utilizado neste

trabalho.

O objetivo deste capítulo é descrever este método de síntese SHS para a

construção de um novo material cerâmico, chamado aqui de ZPT, não relatado

anteriormente na literatura, e que será aplicado, posteriormente como um substrato

dielétrico, de alta permissividade elétrica [50-51], utilizado para aplicações em antenas

4.2

Síntese Auto-Propagante em Alta Temperatura (

SHS

)

Com o aumento da demanda por cerâmicas avançadas para utilização nos

diversos campos da indústria, tornou-se necessário buscar novas técnicas de

processamento cerâmico que utilizassem matérias primas mais baratas e que

consumissem menor tempo do que os processamentos convencionais. Durante os

últimos anos, um método alternativo tornou-se bastante conhecido por conseguir

produzir tais materiais cerâmicos de maneira simples, rápida e confiável. Este processo

é chamado de síntese de auto-propagação em alta temperatura (Self Propagating High

Temperature Synthesis - SHS), também chamado de síntese por combustão, ao qual é

caracterizado por uma chama produzida por materiais reagentes, que é convertido no

produto final. Nas últimas décadas, tal método gerou um interesse científico por parte

dos pesquisadores, na obtenção de novos materiais cerâmicos [9, 39-42].

A combustão é uma reação química exotérmica, ou seja, que produz luz e calor,

portanto, “fogo”. De acordo com Alexandre Itiu Seito, ex-pesquisador do IPT (Instituto

de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo), o mesmo relata que “ainda não há

consenso mundial para definir o fogo. Isso é percebido pelas diversas definições usadas

nas normas de vários países”.

Para uma reação química acontecer, são necessários pelo menos dois elementos

que “reagem” entre si quando são misturados em condições apropriadas de temperatura

e pressão atmosférica.

Durante muito tempo pensava-se que apenas três elementos reagentes eram

necessários para a reação de combustão ocorrer: o combustível, o comburente e o calor.

acontecer. A reação só ocorreria acima de certa temperatura porque ela consome

energia.

A base síntese por combustão é a capacidade de reações altamente exotérmicas

se tornarem auto sustentadas na forma de uma onda de combustão, podendo atingir

temperaturas de até 5000 K e taxas de propagação extremamente rápidas, tais como 250

mm/s.

Com isto, o SHS torna-se um método atrativo e energeticamente eficiente, de

baixo consumo de energia, na síntese de materiais complexos e simples, incluindo

soluções sólidas, compósitos e fases estáveis, com novas e, provavelmente, únicas

propriedades.

Existem dois modos básicos de reações de combustão, que variam conforme o

método de ignição empregado: por propagação e por explosão térmica [41].

Na reação por propagação, o compacto formado pela mistura dos pós reagentes é

aquecido localmente. Este ponto reage e o calor liberado provoca a reação da área

vizinha, gerando a propagação da reação na forma de uma onda de combustão.

Na reação por explosão térmica, o compacto é aquecido uniformemente, até

atingir a temperatura de ignição, quando então a reação ocorre simultaneamente em toda

a amostra.

Os produtos resultantes dos dois modos são os mesmos, diferenciados apenas

pelo grau de porosidade que ambos apresentam.

Existem várias vantagens de se ter reações altamente exotérmicas e auto

sustentadas: o processo torna-se energeticamente eficiente, pois uma vez iniciado não

necessita de uma fonte externa de energia para a sua continuidade. Os produtos gerados

temperaturas atingidas durante as reações retiram as impurezas voláteis ou a umidade

absorvida pelos reagentes, na forma de gases [39-42].

Logo estes produtos com alta porosidade podem ser utilizados como

ressoadores, filtros e substratos cerâmicos, quando este produto poroso resultante da

reação passa por uma etapa de moagem e classificação podem servir como matéria

prima para os processos tradicionais de fabricação cerâmica.

Os grandes gradientes de temperatura que ocorrem no aquecimento e no

resfriamento muitas vezes podem gerar alta concentração de defeitos e fases em

desequilíbrio que favorecem a sinterização do pó obtido por SHS.

Trabalhos desenvolvidos sem aplicação de pressão externa visam estudar a

influência da adição de elementos, como aditivos, no processo SHS. Um dos exemplos

que pode ser citado é a adição do alumínio no sistema titânio - carbono, que afeta a

temperatura de ignição, pois possui menor temperatura de fusão. O alumínio é então a

fase líquida que permite uma rota mais fácil para a transferência de massa. Experiências

levam em consideração também o tamanho de grão dos reagentes, que em muitas

reações podem permitir controlar parâmetros do processo e alcançar melhores

resultados de propriedades mecânicas dos produtos.

Apesar de ser um processo de custo relativamente barato e simples o principal

problema encontrado na produção de cerâmicas estruturais, é a alta porosidade

resultante do processamento. As principais fontes da porosidade nos produtos são: os

poros existentes nos compactos reagentes, a liberação de impurezas volatilizadas

durante a reação e devido à própria natureza das reações, que sendo altamente

dos produtos é maior do que a dos reagentes, e por esta razão, porosidade será gerada se

o produto não contrair durante a reação.

Existem alguns métodos que podem auxiliar o processo de densificação durante

a síntese, dentre os quais podem-se citar a compressão por choque, a laminação a

quente, a prensagem isostática e prensagem à quente. A aplicação da pressão ocorre

durante ou logo após a reação de combustão aproveitando o aparecimento da fase

líquida e a condição de temperatura acima da temperatura de transição dútil-frágil, para

densificar o produto.

O objetivo deste trabalho foi estudar e avaliar a utilização desta técnica na

produção de um compósito cerâmico, Zn0,8Pb0,2TiO3, resultante de uma reação SHS. A

base da reação de combustão deriva dos conceitos dinâmicos usados na química dos

propelentes e explosivos, envolvendo a reação de uma mistura redox.

Essa mistura redox é caracterizada por conter os íons metálicos de interesse para

a reação e um combustível, que é utilizado como agente redutor.

Os íons metálicos são caracterizados como reagentes oxidantes. Geralmente a

uréia (CO(NH2)2) é o redutor mais utilizado, devido a disponibilidade comercial para

encontrá-lo e por possuir um baixo custo. Além disso, com ela é possível a geração de

altas temperaturas e ainda assim, é capaz de gerar um pequeno volume de gases e ter a

mais baixa redução de pó, devido sua valência total ser +6.

Os nitratos metálicos são as fontes de íons mais utilizadas, por serem solúveis na

água e por alcançarem o ponto de fusão em baixas temperaturas. Eles reagem com o

combustível redutor, resultando na formação de um pó fino, seco e geralmente

cristalino. A grande quantidade de gases gerada por essa reação dá resultado a uma

chama, mas, que não é considerada explosiva, mas, que pode alcançar temperaturas

Com essa mistura dos agentes oxidantes e redutores, é possível garantir um

excelente estado de homogeneização da solução a ser obtida.

4.3

Cálculos Estequimétricos dos Reagentes utilizados na Reação de

SHS

para obtenção do composto ZPT

A Tabela 4.1 mostra os reagentes utilizados para a obtenção de um compósito de

titanato na forma de uma perovskita, ABO3. O objetivo é alcançar um composto de

titanato de zinco chumbo, na forma de Zn0,8Pb0,2TiO3, como o produto final da reação.

O trabalho foi realizado em etapas que consistiram de atividades de produção e

caracterização de materiais. O primeiro segmento foi o da produção do pó do titanato de

zinco chumbo.

Os reagentes são mostrados conforme as Figuras 4.1 à 4.4, abaixo:

Figura 4.2: Nitrato de chumbo.

Figura 4.4: Uréia (CO(NH2)2.

Tais reagentes são descritos abaixo, na Tabela 4.1.

Reagente Químico Fórmula Química Pureza Fornecedor

Nitrato de Zinco Zn(NO3)2 . 6H2O 99% Vetec

Nitrato de Chumbo Pb(NO3)2 99% Vetec

Dióxido de Titânio TiO2 99% Vetec

Uréia CO(NH2)2 99% Vetec

Tabela 4.1: Materiais utilizados na obtenção de pós por reação de combustão.

A etapa de produção dos pós desse titanato da série Zn(1.x)Pb(x)TiO3 constou da

síntese por combustão, que gerou este compósito. A proporção dos íons metálicos

(

)

(

)

( )

(

)

(

)

( )

( )

3 ₂ 3 ₂ 2 1 2 ₂

3 1

1

x

x Zn NO x Pb NO TiO CO NH

Zn Pb x TiO gases

η

−

− + + +

→ +

(4.1)

As massas dos reagentes foram calculadas para obtenção de 20 gramas do

produto final e verificadas em uma balança analítica de alta precisão. A Tabela 4.2

mostra as quantidades utilizadas de cada reagente para obtenção do composto, em

gramas:

Para produzir 20 gramas Zn (NO3)2.6H2O Pb(NO3)2 TiO2 CO(NH2)2

Zn0,8Pb0,2TiO3 10,04 2,79 3,37 9,30

Tabela 4.2: Massa dos reagentes, em gramas, empregadas na produção de 20 gramas de

Zn0,8Pb0,2TiO3.

4.4

Procedimento Experimental

Para a produção de 20 gramas do produto, os reagentes foram adicionados em

um becher, nas massas previamente definidas para a composição desejada do produto

final e na estequiometria exata para o consumo completo do oxigênio do oxidante

(nitratos) pelo reagente orgânico redutor (uréia). A mistura foi homogeneizada

manualmente com bastão de vidro sob calor, com a adição de uma pequena quantidade

de água destilada. A substância líquida foi transferida para uma chapa metálica aquecida

inicialmente a 33ºC, num cadinho de sílica vítrea.

O processo de aquecimento foi controlado, com medição do aumento da

temperatura, para definir o tempo total que o processo da reação auto-propagante da