Apostila Materiais Dielétricos Parte A

(Parte 1 de 10)

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 Dielétricos	1
1.1 Eletrocerâmicas	1
1.1.1 Termistores	3

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 Metálicos	14
1.1.2.1 Aplicações…	……………………………………............... 16
1.2 Capacitores e Dielétricos	17
1.2.1Introdução	17
1.2.2 Características de um Capacitor	18
1.2.3 Capacitância	20
1.2.3.1 Fatores que afetam a capacitância	21
1.2.4 Comportamento Dielétrico	23
1.2.4.1 Polarização Dielétrica	23
1.2.4.2 Efeitos da Freqüência Sobre a Polarização	25
1.2.5 Perda Dielétrica	26
1.2.5.1 Efeitos da Freqüência sobre a Perda Dielétrica	29
1.2.6 Propriedades Dielétricas	30
1.2.6.1 Resistência	30
1.2.6.2 Intensidade Dielétrica	34

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1.2.6.3 Envelhecimento	35
1.2.7 Acoplamento Eletro-Mecânico	37
1.2.7.1 Absorção Dielétrica	38
Referências Bibliográficas	39
2	Dielétricos Lineares .......................................................................... 40
2.1 Introdução	40
2.2 Classes de Dielétricos	41
2.2.1 Dielétricos de Classe I	41
2.2.2 Dielétricos de Classe I	43
2.3 Padrão Visual para Capacitores “Chip”	46
2.3.1 Padrão Visual externo	46
2.3.2 Padrão da Microestrutura interna	46
2.3.3 Separação em lâminas	46
2.3.4 Vácuo	47
2.3.5 Ruptura	48
2.3.6 Não-Uniformidades	48
2.3.7 Defeitos de Preparação das Amostras	49
Referências Bibliográficas	51
3	Propriedades Dielétricas ................................................................... 52
3.1 Introdução	52
3.2 Comportamento Elétrico em Cerâmicas	54
3.2.1 Capacitância	54
3.2.2 Indutância	56
3.2.3 Unidades	57
3.2.4 Polarização	57

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3.2.5 Fator de Perda	65
3.2.6 Força Dielétrica	72
3.3 Constantes Dielétricas em Cristais e Materiais Vítreos	73
3.3.1 Polarizabilidade Iônica	73
3.3.2 “Salto” da Polarização Iônica	75
3.3.3 Efeitos da Freqüência e da Temperatura	7
3.4 Perda Dielétrica em Cristais e Vidros	80
3.5 Condutividade Dielétrica	90
3.6 Cerâmicas Policristalinas e Polifásicas	91
3.6.1 Misturas	91
3.6.2 Classes de Dielétricos	96
3.6.3 Polarização de Carga Espacial	98
3.7 Intensidade Dielétrica	103
3.8 Cerâmicas Ferroelétricas	107
Referências Bibliográficas	116
4	Defeitos e Imperfeições em Sólidos ................................................... 117
4.1 Introdução	117
4.2 Defeitos Pontuais	118
4.2.1 Lacunas Auto-Intersticiais	118
4.3 Imperfeições Diversas	119
4.3.1 Discordâncias - Defeitos Lineares	119
4.4 Superfícies Externas	123
4.5 Contornos de Grão	124
4.6 Contorno de Macla	127

Microestrutural

4.6.1 Aplicações: Contorno de Macla em Cerâmicas - Análise 128

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4.6.1.1 Introdução	128
4.6.1.2 Materiais e Métodos utilizados	133
4.6.1.3 Resultados Obtidos	134
4.7 Defeitos Interfaciais	138
4.8 Defeitos em óxidos cerâmicos	139
4.8.1 Introdução	139
4.8.1.1 Defeitos Atômicos e Dipolos	139
4.8.1.2 Teoria Inelástica e Relaxação Dielétrica	140
4.8.2 Métodos Experimentais	143
4.8.3 Óxidos com Estrutura do Tipo Fluorita	145
4.8.3.1 Tório e Cério	145
4.8.3.1.1 ThO2 e CeO2 dopado com CaO	145
4.8.3.1.2 CeO2 dopado com Y2O3	151
4.8.4 Zircônia	154
4.8.4.1 Policristais de Zircônia Tetragonal	156
4.8.4.2 Zircônia Cúbica	169
4.8.5 Conclusão	163
Referências Bibliográficas	164
Glossário	166
Índice Remissivo	172

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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 NTC

09

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 PTC

14

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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