SINTESE E CARACTERIZAÇÃO DA CERÂMICA MgTiO3 DOPADA COM 1% DE MnO2
S. K. O. Menezes a, b; C. G. PINHEIRO b, e; A. J. M. Sales b,c ; A. J. N. CASTRO b, c; J. E. V. MORAES b, c; E. O. SANCHO b, d; G. F. M. Pires Júnior b, e; J. C. Sales b, f; A. S.
B. Sombra b
a Departamento de Engenharia Elétrica (FANOR) – Faculdade Nordeste b
Laboratório de Telecomunicações e Ciências e Engenharia de Materiais (LOCEM) c
Departamento de Teleinformática (DETI), Universidade Federal do Ceará d
Universidade de Fortaleza (UNIFOR) e
Instituto Federal do Ceará (IFCE) f
Departamento de Engenharia Civil, Universidade Estadual Vale do Acaraú
RESUMO
Materiais cerâmicos têm despertado atenção da comunidade científica devido às potenciais aplicações em dispositivos eletroeletrônicos que operem na faixa de microondas e rádio frequência. Os ressoadores dielétricos em especial, estão sendo amplamente investigados, devido ao crescimento rápido das telecomunicações. A miniaturização dos circuitos de microondas requer materiais com alta constante dielétrica, baixa perda e boa estabilidade de temperatura. A finalidade do trabalho é o estudo da caracterização estrutural e dielétrica da cerâmica MgTiO3 dopada com 0 e 1% de dióxido de manganês. O preparo do MgTiO3 foi feito pelo método convencional cerâmico, os pós foram moídos por 4h e calcinados a 1100°C por 4h, caracterizados estruturalmente por DRX e depois foram sinterizadas a uma temperatura de 1300ºC por 4h. No estudo dielétrico foi usada a espectroscopia de impedância. As análises das propriedades dielétricas demonstraram que a peça com a adição de 1% de manganês causou um aumento na permissividade, aumentando-a de 18,5 paumentando-araumentando-a 19,3 e umaumentando-a diminuição daumentando-a taumentando-angente de perdaumentando-a dielétricaumentando-a de 2,33x10-2 para 2,43x10-2, ambos na frequência de 1Mhz em temperatura ambiente.
INTRODUÇÃO
Materiais dielétricos desempenham um papel fundamental na sociedade global com uma ampla gama de aplicações de comunicação terrestre e por satélite, incluindo rádio software, GPS, TV e DBS para monitoramento ambiental via satélites. A fim de atender as especificações dos sistemas atuais e futuros, melhorados ou novos componentes de microondas com base em materiais dielétricos dedicados e novos projetos são obrigatórios. O recente progresso nas telecomunicações micro ondas, radiodifusão por satélite e sistemas de transporte inteligentes (ITS), resultou em uma crescente demanda por ressoadores dielétricos (DRS), que são de baixa perda de discos cerâmicos utilizados principalmente em dispositivos de comunicação sem fio. Com a recente revolução na telefonia e comunicação via satélite sistemas móveis usando microondas como a companhia aérea, a investigação e desenvolvimento no domínio da miniaturização dos dispositivos tem sido um dos maiores desafios em Ciência dos Materiais contemporânea. Esta revolução é aparente em uma base diária do número cada vez maior de usuários de telefone celular (1,2,3).
Cerâmicas de óxido são elementos críticos nestes circuitos de microondas e um entendimento completo de sua química de cristal é fundamental para o desenvolvimento futuro. Propriedades de cerâmica microondas dependem criticamente de vários parâmetros, tais como a pureza da partida materiais, temperatura de calcinação e duração, método de corte e temperatura de sinterização e durações.
Neste trabalho buscou-se sinterizar a fase romboédrica MgTiO3 porém houve o surgimento da fase secundária MgTi2O5 (ortorrômbica). A estrutura das duas fases segue na figura abaixo:
A importância da miniaturização não pode ser subestimada em qualquer aplicação de comunicação de mão e pode ser visto na diminuição dramática no tamanho e peso dos dispositivos, tais como telefones celulares nos últimos anos.Esta necessidade constante de miniaturização proporciona uma força motriz contínua para a descoberta e desenvolvimento de materiais cada vez mais sofisticados para executar a mesma ou função com a diminuição de tamanho e peso melhorada.
Assim, em todo esse contexto apresentado fica justificado o objetivo e a motivação do presente trabalho aqui apresentado para a eletrocerâmica MgTiO3 com adição de1% de MnO2.
MATERIAL E MÉTODOS
O início do trabalho deu-se na preparação da cerâmica MTO (MgTiO3) pura e MTOM adicionada com MnO2, que foram cuidadosamente fabricadas através da reação do estado sólido, ou mais conhecido como Método Cerâmico Padrão. Os materiais de partida (óxidos) MgO, TiO2, MnO2 com alto grau de pureza da Aldrich e Vetec foram pesados em balança digital e colocados juntos respeitando-se a estequiometria para obtenção da fase desejada num moinho de bolas planetário (Fritsch Pulverisette ) e foram moídos por 4h para deixar a mistura mais reativa. Os pós moídos foram postos em um cadinho, calcinados em um forno elétrico resistivo (Jung - N1100) a uma de temperatura de 1100°C por 4h com taxa de 2°/min. Depois de calcinado o pó do MTO foi investigado por Difração de Raios-x (DRX). A caracterização da estrutura cristalina foi confirmada através do programa DBWS9807a que utiliza o Método de Rietveld para refinamento de estruturas cristalinas.
As amostras foram preparadas com o MTO puro calcinado e adicionado de MnO2, foram prensados em fôrma cilíndrica de 15mm de diâmetro sob uma pressão de 166 MPa em pressa hidráulica. As amostras foram sinterizadas a 1300°C durante 4h com taxa de aquecimento de 2°/min..
Para elucidação da estrutura na cerâmica MTO a técnica de Difração de Raios-X (DRX) foi indispensável. A figura 2 (a) ilustra o difratograma obtido pela calcinação para o pó do MTO, na figura 2 (b) o difratograma padrão do MgTi2O5 e na figura 1 (c) o difratograma padrão do MgTiO3. As figuras padrões foram obtidas através do banco de dados ICSD. A identificação de todos os picos mais intensos no perfil de difração obtido confirma a presença de duas fases, a ortorrômbica MgTi2O5 e a romboédrica MgTiO3, sendo a fase romboédrica majoritária.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 (c) MgTiO3--ICSD 65794 IN T E N S ID A D E ( u .a ) MgTi2O5--ICSD 51019 (b) (a) 2 MTO
Figura 2 – (a) Difratograma do pó do MTO após calcinação onde * se refere a fase (b) MgTi2O5 e ♦ se refere a fase (c) MgTiO3
O refinamento Rietveld da amostra calcinada foi realisado e a figura 3 apresenta a qualidade do ajuste entre o dados experimentais e o ajuste do programa. Foi identificada uma boa concordância entre o valor observado (a) e o calculado (b), já que a diferença entre esses valores (c) obtido foi mínima.
20 25 30 35 40 45 50 55 60 2THETA DIFERENاA IN T E N S ID A D E (u .a ) CALCULADO OBSERVADO
Figura 3 – Padrões de difração do refinamento de Rietveld para o pó do MTO(a)Observado (b) Calculado e a (c) Diferença (Observado – Calculado)
Os resultados obtidos através da Difração de Raios-x confirmam o aparecimento da fase romboédrica MgTiO3 com 98.5% do total em massa molar e da fase ortorrômbica MgTi2O5 com 1,5%. A tabela 1 apresenta os parâmetros estruturais de refinamento, onde os parâmetros de rede da fase majoritária são revelados.
Tabela 1 – Parâmetros Estruturais do refinamento de Rietveld para o pó do MTO.
Parametros Estruturais
a 5.0544 b 5.0544 c 13.8983
90 90 120
Density (g/cm3) 4.310 Mass (% ) 91.46 Molar (%) 98.50 R-P (%) 15.31 R-WP (% ) 21.96 R-EXPECTED (%) 16.48
S 1.32 D – W 0.34 Space group R -3 H (148)
(a)
(b)
em temperatura ambiente e em rádio frequência com variação de 10KHz a 1MHz. Pelo gráfico, é visível que a amostra adicionada com 1% de MnO2 apresenta maiores valores em comparação com a amostra pura MTO em toda a faixa de frequência. 10k 100k 1M 15 16 17 18 19 20 21 22 MTO P MnO2+1% Pe rmi ssi vi d a d e F(Hz)
Figura 4 - Variação da permissividade relativa dielétrica (ε'r) com a frequência para as amostras MTO e MTOM.
A tabela 2 detalha os valores de permissividade e perda obtidos na análise dielétrica através da espectroscopia de impedância.
Tabela 2 - Valores das propriedades dielétricas obtidas para as amostras MTO e MTOM.
Amostras 10KHz 100KHz 1MHz
ε' Tanδ ε' Tanδ ε' Tanδ
MTO 18,46 1,6E-03 18,43 2,5E-03 18,58 -2,3E-02
MTOMn 19,28 7,5E-03 19,21 4,1E-03 19,30 -2,4E-02
A análise dielétrica revela que a dopagem de 1% de MnO2 promoveu uma melhoria na constante dielétrica e na tangente de perda do MgTiO3, aumentando estas constantes em todo o ranger de frequência estudado.
▪ MTO ● MTOM
CONCLUSÃO
As conclusões do nosso trabalho podem ser listadas abaixo:
- As amostras de MTO, teve sua fase obtida, através do método convencional de reação de estado sólido a baixas temperaturas.
- A Difração de Raios-X e o posterior refinamento de Rietveld confirmaram o aparecimento da fase MgTiO3 de estrutura romboédrica como majoritária.
- A amostra de MTO com adição de 1% de MnO2 apresentou uma boa densificação
e demonstra ser um potencial candidato para atender a propriedades exigidas como: alta permissividade dielétrica e uma baixa perda, mostrando bons resultados e uma possível aplicabilidade em dispositivos como antenas ressoadoras dielétricas, multiplexadores transmissores, capacitores, entre outros.
AGRADECIMENTOS
Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Cientifico e Tecnológico – CNPq, a Universidade Federal do Ceará – UFC, Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) e principalmente ao professor Prof. Dr. Antonio Sergio Bezerra Sombra
REFERÊNCIAS
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SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION OF CERAMIC MgTiO3 DOPED WITH 1% MnO2
ABSTRACT
Ceramics have attracted attention from the scientific community due to potential applications in electronic devices operating in the microwave and radio frequency range. The dielectric resonators in particular are being widely investigated due to the rapid growth of telecommunications. The miniaturization of microwave circuits requires materials with high dielectric constant, low loss and good temperature stability. The purpose of the work is the study of structural and dielectric characterization of ceramic MgTiO3 doped with 0 and 1% manganese dioxide. The preparation of MgTiO3 was made by conventional ceramic method, the powders were milled and calcined for 4 hours at 1100 ° C for 4h, structurally characterized by XRD and then were sintered at a temperature of 1300ºC for 4h. In the study, the dielectric impedance spectroscopy was used. The analyzes show that the dielectric properties of the part with the addition of 1% of manganese caused an increase in permittivity, increasing from 18.5 to 19.3 and a decrease in dielectric loss tangent for 2 2,33x10-2 , 43x10-2, both at frequency of 1MHz at room temperature.
