OBTENÇÃO E CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DE COMPÓSITO SILICONE/TITANATO DE BÁRIO PARA APLICAÇÕES EM CAPACITOR
VARIÁVEL
D. A. Vieira1, P. S. S. Souza1, P. C. F. Menezes2, C. P. Souza1
1Universidade Federal da Paraíba – Centro de Energias Alternativas e Renováveis/
Departamento de Engenharia Elétrica, João Pessoa – PB. debora.vieira@cear.ufpb.br
2Universidade Federal de Campina Grande – Departamento de Engenharia de
Materiais, Campina Grande – PB.
Resumo
Compósitos de silicone/titanato de bário são excelentes candidatos para aplicações na produção de componentes eletroeletrônicos. Neste trabalho, um compósito de silicone/titanato de bário foi obtido para produção de capacitores com distância dielétrica variável. A mistura do compósito (20% de titanato de bário) foi realizada em um misturador com hélices tipo caule, em temperatura ambiente, durante 20 minutos. A cura foi realizada em estufa à vácuo. Após a obtenção do compósito, foi montado um capacitor de placas paralelas, usando o compósito como dielétrico. O compósito obtido foi submetido à difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura e teste elétrico capacitivos. O DRX comprova a presença da carga cerâmica no compósito com a presença de picos alargados do titanato de bário e as micrografias mostram as partículas de titanato de bário dispersas na matriz polimérica. A capacitância da amostra foi de aproximadamente 28,7pF.
Palavras-chave: Compósito, titanato de bário, capacitor variável.
INTRODUÇÃO
Alguns materiais com elevada constante dielétrica são utilizados na indústria eletroeletrônica para construção de microfones, transdutores e capacitores (1). Capacitores são componentes indispensáveis em circuitos eletroeletrônicos, uma vez que são utilizados em diversas aplicações, tais como filtragem e
armazenamento de energia (2). Em geral, capacitores são formados por duas superfícies condutoras separadas por um isolante (material dielétrico) de tal forma que não há contato elétrico entre essas duas superfícies (eletrodos) do capacitor. Os tipos de capacitores comercialmente disponíveis diferem basicamente pelo material do dielétrico, dos eletrodos e em sua forma construtiva. Os materiais dielétricos utilizados na construção de capacitores são caracterizados pela habilidade de armazenar carga elétrica (elevada capacitância) e suas respostas inertes em relação a um campo elétrico, isto é, capacitância, características de perda, resistência ao isolamento, força dielétrica, taxa de envelhecimento e dependência da temperatura em relação as propriedades mencionadas.
Em geral, os capacitores utilizam o ar como dielétrico ou naturalmente dielétricos como mica ou materiais preparados, como os grupos cerâmicos e poliméricos. Os materiais cerâmicos, baseados em titanatos exibem altas constantes dielétricas e assim pode ser formulado com características elétricas adequadas.
O titanato de bário (BaTiO3), conhecido por volta dos anos 40, é amplamente
utilizado para eletrocerâmicas, devido às suas características dielétricas elevadas, é usado em capacitor cerâmico multicamada (MLCC), termistores e dispositivos de eletro-óticos(1). Porém, esse material apresenta alguns problemas, tal como altas temperaturas de processamento para atingirem a cristalização. Outro problema é que os titanatos são frágeis, característica derivada das cerâmicas (3).
Entre os materiais dielétricos, os materiais poliméricos têm vantagens devido a elevada flexibilidade, leveza, durabilidade e facilidade de processamento. A alta capacidade de processamento faz com que os materiais poliméricos sejam promissores para capacitores incorporados à eletrônica (4). No entanto, as constantes dielétricas de polímeros são baixas, comparados com as das cerâmicas.
A fabricação de compósitos é uma atividade promissora para resolver os problemas mencionados derivados das naturezas de cerâmicas e de polímeros, uma vez que os compósitos podem ter as suas características tanto das cerâmicas (alta constante dielétrica) como dos polímeros (processabilidade) (3).
Nos últimos anos tem crescido o interesse por materiais compósitos poliméricos em virtude de sua alta constante dielétrica e alta densidade de armazenamento de energia. Muitos compósitos têm sidos devolvidos especialmente para aplicações em capacitores.
Dessa forma, incorporar partículas inorgânicas em polímeros abre novas oportunidades para preparar materiais dielétricos aplicáveis nestes importantes componentes da indústria eletroeletrônica, os capacitores. Neste trabalho, tem-se como objetivo o processamento e caracterização quanto a estrutura, morfologia e propriedades elétricas de compósitos de silicone/titanato de bário (BaTiO3) para
aplicação em capacitores com distância dielétrica variável.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a obtenção do compósito de silicone/titanato de bário, foi utilizado o silicone da grade RTV 615 da Momentive, na proporção Parte A e B (100:10), e titanato de bário (BaTiO3) 99% da marca Acros Organics. O processo de mistura do
silicone foi realizado em temperatura ambiente usando um agitador mecânico Fisatom Modelo 713D, com hélice do tipo caule durante 20 minutos, após a mistura do compósito o produto obtido foi disperso em banho ultrassônico por 20 minutos, após a dispersão depositado em um molde de vidro para a cura. A cura foi realizada em estufa com circulação de ar por 24 horas.
O compósito obtido foi caracterizado por difração de raios X, em um difratometro da marca SHIMADZU (modelo XRD 6000, radiação Cu K) e microscopia eletrônica de varredura em um microscópio SSX-550 – SHIMADZU.
Um capacitor de placas planas paralelas de cobre com compósito usado como dielétrico com espessura de 2,73mm e dimensões de aproximadamente 1600mm2 foi confeccionado para a caracterização elétrica. A caracterização elétrica do capacitor foi realizada utilizando uma ponte LCR U1733C da Agilent para a medição da capacitância estática. Para aquisição do valor da capacitância, a medição foi realizada na frequência de 1kHz, feitas aquisições de 10 medidas, e calculado o valor médio, acrescido do seu desvio padrão. Sabendo que o capacitor é de placas paralelas, possuindo sua área e a distância entre as placas, foi possível calcular sua constante dielétrica κ = Cd/ε0A, em que
ε
0 é a permissividade do vácuo (8,85x10-12 F/m), κ é a constante dielétrica do material, A é a área da placa e d é a distância entre as placas.RESULTADOS E DISCUSSÃO
Na Figura 1 está representada a identificação de fase do titanato de bário e o compósito de silicone/titanato de bário.
20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 2 (Graus) BaTiO3 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 30 31 32 33 34 35 Silicone/BaTiO3 BaTiO3 In te n s ida d e ( u . a .) Silicone/BaTiO3
Figura 1. Difratogramas de raios X do titanato de bário e do compósito silicone/titanato de bário.
Na Figura 1 observa-se os padrões de DRX do pó de titanato de bário e do compósito silicone/titanato de bário. O pó puro apresenta todos os picos de difração correspondente aos planos de (100), (110), (111), (200), (210) e (211). Isto indica que o pó do BaTiO3 possui estrutura cristalina da perovskita. Não foi detectada fases
secundárias, identificando que a amostra é monofásica. No difratograma de raios X do compósito silicone/ BaTiO3 observa-se o deslocamento dos picos de difração,
comparando com o difratograma do titanato de bário puro, o padrão de difração do compósito não apresentou diferença expressiva, apenas a intensidade dos picos reduziu, caracterizando a fase amorfa da matriz de silicone, que foi suprimida mesmo com a menor concentração de titanato de bário, ou seja, a característica cristalina do titanato de bário é mais predominante que a matriz polimérica de silicone. Este mesmo comportamento foi observado por Goyal et. al., (3013)(5) que obteve compósitos de PMMA/BaTiO3, avaliando sua propriedades dielétrica
Na Figura 2 estão as micrografias da amostra (a) do titanato de bário (BaTiO3)
e (b) do compósito de silicone/ titanato de bário (BaTiO3).
Figura 2. Micrografia eletrônica de varredura do (a) pó de titanato de bário e (b) do compósito de silicone titanato de bário.
As micrografias mostram a morfologia do pó do BaTiO3 de formato esférico e
tamanho de partículas na ordem de nanometros. Essa morfologia encontra-se de acordo com os nanopós de BaTiO3 comercial, avaliados por Joseph et. al., (2013) (6)
que obteve compósitos de PVDF-BaTiO3, observou aglomerados formados de
nanopartículas esféricas bem definidas. No compósito produzido é possível observar a presença das partículas do BaTiO3 dispersas na matriz polimérica do silicone.
Porém, a presença de defeitos, tais como macrofissuras ou macroporos, indica a formação de aglomerados. Característica semelhante foi observada por Namitha et. al., (2013) (7) investigando as propriedades térmicas e mecânicas de compósitos de borracha de silicone/alumina, observou que as partículas estão uniformemente dispersas por toda a matriz, porém, com teor mais elevado de alumina, nota-se poros e a aglomeração das partículas, ou seja, o aumento da carga diminui a distância entre as partículas e isto conduz à aglomeração.
Para a aquisição dos parâmetros elétricos foi confeccionado um capacitor de placas paralelas com dielétrico do compósito de silicone/BaTiO3
A Tabela 1 expressa os valores de capacitância e a constante dielétrica obtidos do capacitor confeccionado.
Tebela 1. Capacitância e constante dielétrica do capacitor com dielétrico de compósito silicone/BaTiO3 Capacitância (pF) (C) Constante dielétrica (κ) Silicone/titanato de bário 28,7 5,2
Os valores obtidos de constante dielétrica para o compósito silicone/titanato de bário a 1khz, encontram-se acima de valores relatados para outros polímeros como, o polietileno (κ = 2,3)(8), o Polimetilmetacrilato (PMMA) (κ = 3,5)(9)
e o Polimetilsiloxano (PMDS) (κ = 3,1) (10)
.
O resultado de constante dielétrica obtida para o compósito silicone/BaTiO3, se
assemelha aos valores relatados por Wang et al., (2009)(11), que estudou as características de filmes compósitos da poliimida/BaTiO3, com várias quantidades de
BaTiO3 (0-90%). Os aumentos de constantes dielétricas com o aumento do teor de
BaTiO3 se deram entre 3,53-46,50. O valor da constante dielétrica observada em
seu trabalho com uma quantidade de 20% de titanato de bário na matriz de poliimida foi aproximadamente 6,5. O aumento da constante dielétrica é devido, principalmente, à constante dielétrica relativamente elevada de partículas de BaTiO3
na matriz de poliimida. Este aumento da constante dielétrica com o aumento BaTiO3
implica que as partículas de BaTiO3 estão dispersa uniformemente na matriz de
poliimida PI. Caso contrário, as porosidades associadas com as partículas aglomeradas de BaTiO3 degradariam significativamente a constante dielétrica. Alam
et. al., (2011)(12), avaliaram as propriedades elétricas em função da temperatura do compósito epoxi/BaTiO3, com 45% de BaTiO3 e obteve uma constante dielétrica de
3,5 em temperatura ambiente. Este valor está mais próximo do valor de constante dielétrica da resina epóxi. O autor atribuiu este resultado a possível presença apenas da resina epóxi nas regiões próximas aos eletrodos, tornando as propriedades da resina epóxi dominantes se comparado ao compósito.
CONCLUSÕES
Assim conclui-se que o titanato de bário (BaTiO3), usados para obtenção do
compósito, é um material cristalino e de alta pureza, pois não foi identificada fases secundárias após a investigação do pó por difração de raios X. O método empregado na obtenção do compósito foi adequado, pois foi possível obter um compósito com partículas dispersas, porém apresentando poucos defeitos, devido a porosidade notada nas micrografias. As propriedades elétricas avaliadas foram satisfatórias, pois o compósito obtido apresentou constante dielétrica com valores próximos a outros compósitos relatados na literatura, além de ser flexível tornado o compósito obtido um material promissor para aplicação em capacitores variáveis.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem ao INTC-NAMITEC, CAPES e CNPq.
REFERÊNCIAS
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OBTAINING AND ELECTRICAL CHARACTERIZATION OF SILICONE/BARIUM TITANATE COMPOSITE FOR VARIABLE CAPACITOR APPLICATIONS
Silicone/barium titanate composites are excellent candidates for applications in the production of electronics components. In this work, silicone/barium titanate composite was obtained for the production of capacitors with variable dielectric distance. The mixture of composite (20% of barium titanate) was performed in a mixer with stem type propellers, at room temperature for 20 minutes. The cure was held in vacuum kiln. After obtaining the composite, was mounted a parallel plate capacitor, using composite as dielectric. The composite obtained was subjected to x-ray diffraction, scanning electron microscopy and capacitive electrical test. The DRX confirms the presence of ceramic charge in composite with the presence of broad peaks of barium titanate and micrographs show the barium titanate particles dispersed in polymer matrix. The capacitance of the sample was approximately 28,7pF.
