Apostila Materiais Dielétricos Parte A

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Apostila:

Materiais Dielétricos

Corelação:: Propriedades e Defeitos

Versão 1

Leandra Oliveira Salmazo

Wellington Alves

Prof. Dr. Marcos Augusto de Lima Nobre

Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais - LaCCeF

Departamento de Física, Química e Biologia - DFQB

Faculdade de Ciências e Tecnologia - FCT Universidade Estadual Paulista - UNESP

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LaCCeF - Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais I

Salmazo, L.O. e Nobre, M.A.L.

1 Materiais Dielétricos1
1.1 Eletrocerâmicas1
1.1.1 Termistores3

Sumário

(NTC)

1.1.1.1 Termistores com Coeficiente de Temperatura Negativo 5

1.1.1.1.1 Aplicações…………………………………9
(PTC)

1.1.1.2 Termistores com Coeficiente de Temperatura Positivo 9

1.1.1.2.1 Aplicações………………….………………13
1.1.2 Varistores de Óxidos Metálicos14
1.1.2.1 Aplicações………………………………………............... 16
1.2 Capacitores e Dielétricos17
1.2.1Introdução17
1.2.2 Características de um Capacitor18
1.2.3 Capacitância20
1.2.3.1 Fatores que afetam a capacitância21
1.2.4 Comportamento Dielétrico23
1.2.4.1 Polarização Dielétrica23
1.2.4.2 Efeitos da Freqüência Sobre a Polarização25
1.2.5 Perda Dielétrica26
1.2.5.1 Efeitos da Freqüência sobre a Perda Dielétrica29
1.2.6 Propriedades Dielétricas30
1.2.6.1 Resistência30
1.2.6.2 Intensidade Dielétrica34

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1.2.6.3 Envelhecimento35
1.2.7 Acoplamento Eletro-Mecânico37
1.2.7.1 Absorção Dielétrica38
Referências Bibliográficas39
2Dielétricos Lineares .......................................................................... 40
2.1 Introdução40
2.2 Classes de Dielétricos41
2.2.1 Dielétricos de Classe I41
2.2.2 Dielétricos de Classe I43
2.3 Padrão Visual para Capacitores “Chip”46
2.3.1 Padrão Visual externo46
2.3.2 Padrão da Microestrutura interna46
2.3.3 Separação em lâminas46
2.3.4 Vácuo47
2.3.5 Ruptura48
2.3.6 Não-Uniformidades48
2.3.7 Defeitos de Preparação das Amostras49
Referências Bibliográficas51
3Propriedades Dielétricas ................................................................... 52
3.1 Introdução52
3.2 Comportamento Elétrico em Cerâmicas54
3.2.1 Capacitância54
3.2.2 Indutância56
3.2.3 Unidades57
3.2.4 Polarização57

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3.2.5 Fator de Perda65
3.2.6 Força Dielétrica72
3.3 Constantes Dielétricas em Cristais e Materiais Vítreos73
3.3.1 Polarizabilidade Iônica73
3.3.2 “Salto” da Polarização Iônica75
3.3.3 Efeitos da Freqüência e da Temperatura7
3.4 Perda Dielétrica em Cristais e Vidros80
3.5 Condutividade Dielétrica90
3.6 Cerâmicas Policristalinas e Polifásicas91
3.6.1 Misturas91
3.6.2 Classes de Dielétricos96
3.6.3 Polarização de Carga Espacial98
3.7 Intensidade Dielétrica103
3.8 Cerâmicas Ferroelétricas107
Referências Bibliográficas116
4Defeitos e Imperfeições em Sólidos ................................................... 117
4.1 Introdução117
4.2 Defeitos Pontuais118
4.2.1 Lacunas Auto-Intersticiais118
4.3 Imperfeições Diversas119
4.3.1 Discordâncias - Defeitos Lineares119
4.4 Superfícies Externas123
4.5 Contornos de Grão124
4.6 Contorno de Macla127
Microestrutural

4.6.1 Aplicações: Contorno de Macla em Cerâmicas - Análise 128

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4.6.1.1 Introdução128
4.6.1.2 Materiais e Métodos utilizados133
4.6.1.3 Resultados Obtidos134
4.7 Defeitos Interfaciais138
4.8 Defeitos em óxidos cerâmicos139
4.8.1 Introdução139
4.8.1.1 Defeitos Atômicos e Dipolos139
4.8.1.2 Teoria Inelástica e Relaxação Dielétrica140
4.8.2 Métodos Experimentais143
4.8.3 Óxidos com Estrutura do Tipo Fluorita145
4.8.3.1 Tório e Cério145
4.8.3.1.1 ThO2 e CeO2 dopado com CaO145
4.8.3.1.2 CeO2 dopado com Y2O3151
4.8.4 Zircônia154
4.8.4.1 Policristais de Zircônia Tetragonal156
4.8.4.2 Zircônia Cúbica169
4.8.5 Conclusão163
Referências Bibliográficas164
Glossário166
Índice Remissivo172

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FIGURA 1.1 – Variação da resistência elétrica dos sensores óxidos em função da umidade

Lista de Figuras 02

água

FIGURA 1.2 - Esquema da estrutura mostrando a superfície do mineral hidroxiapatita em sensores de umidade. A condução ocorre via uma reação em cadeia de Grotthus com a adsorção de camadas de 03

função da temperatura para diversas ordens de grandeza

FIGURA 1.3 - Evolução da resistência elétrica em termistores. Resistência em 04

FIGURA 1.4 - Variação estrutural nas posições atômicas da cerâmica de VO2. Na transição de metálico-semicondutor, a resistência varia em diversas

semicondutor abaixo de 80 °C

ordens de grandeza na extensão das ligações químicas. Em alta temperatura, a estrutura metálica é isomórfica do tipo rutilo tetragonal, porém ocorre mudança para o estado monoclínico 05

lítio

FIGURA 1.5 - Termistores de óxido de níquel dopado. (a) O cristal consiste em íons Ni2+, Ni3+ e Li+ em solução sólida semelhante ao sal de rocha. (b) A resistividade elétrica diminui com o aumento do conteúdo de 07

elevação da temperatura

FIGURA 1.6 - Resistência em função da temperatura para termistores NTC. Onde a resistência decresce em aproximadamente 4% para cada grau de 08

FIGURA 1.7 - Foto de um Termistor NTC09

FIGURA 1.8 - (a) Resistividade elétrica do titanato de bário dopado com cério,

Ba1-x CexTiO3, plotada em função da composição. (b) Resistividade de três cerâmicas de titanato de bário dopadas com cério, medida

ºC

em função da temperatura. Uma grande anomalia do tipo PTC ocorre próxima à temperatura de Curie, que para este material é 130 1

FIGURA 1.9 - Visão esquemática da estrutura do Ba1-xLaxTiO3 próxima à superfície de um contorno de grão. A atmosfera de oxigênio difunde

isolantes

e dissocia–se rapidamente ao longo de um contorno de grão, onde os átomos atraem os elétrons, formando barreiras 12

FIGURA 1.1: Foto de um termistor PTC14

FIGURA 1.12 - Relação I versus V para ZnO. A corrente aumenta de forma abrupta

na voltagem e ruptura VB
varistores. Os parâmetros de rede são a = 3,24 Ǻ e c =5,19 Ǻ

FIGURA 1.13 - Célula unitária hexagonal da estrutura de ZnO utilizada em 15

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