Apostila Materiais Dielétricos Parte A

Apostila Materiais Dielétricos Parte A

(Parte 3 de 10)

de flexão, f = 3,06 kHz
Y2O3 com diferentes medidas de freqüência

FIGURA 4.23 - Medidas de perda dielétrica (tg φ versus T) para ZrO2 – 3 % mol 157

FIGURA 4.24 - Gráfico de Arrhenius para o tempo de relaxação (lnτ vresus. 1/T)

% mol Y2O3

FIGURA 4.25 - Perda mecânica espectral da cerâmica zirconia tetragonal com

mol Y2O3)

varias quantidades de Y2O3 (2-4 % mol) e um cristal cúbico (10% 159

FIGURA 4.26 - Perda mecânica no espectro do ZrO2 cúbico (10% mol Y2O3) para a oscilação torcional (f = 3 Hz) com diferentes orientações no eixo

longitudinal

FIGURA 4.27 - Espectro de perdas mecânicas para o ZrO2 cúbico (10 % mol Y2O3) para oscilações de flexão (f = 3 kHz) e diferentes

orientações

FIGURA 4.28 - Variação da amplitude de relaxação δG-1 e δE-1 de máxima I em

ZrO2 – 10% mol Y2O3 com parâmetros de orientação Γ

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LaCCeF - Laboratório de Compósitos e Cerâmicas Funcionais X

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

TABELA 1.1 - Constantes Dielétricas para vários materiais20
TABELA 1.2 - Padrão mínimo IR versus Capacitância34
TABELA 2.1 - Designação EIA (Eletronic Industries Association) para Dielétricos de Classe I

Lista de Tabelas 42

TABELA 2.2- Designação EIA (Eletronic Industries Association) para Dielétricos de Classe I
TABELA 3.1 - Valores de Constante Dielétrica em alguns gases75
TABELA 3.2 - Relação entre colapso térmico e resistividade elétrica105

TABELA 4.1 - Relação de produtos e regentes envolvendo as reações parciais dos sistemas de varistor tradicional considerando-se as várias

relações Sb2O3/Bi2O3
TABELA 4.2 - Características físicas e químicas de alguns óxidos134

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Materiais Dielétricos

1.1 Eletrocerâmicas

O termo “eletrocerâmica” é utilizado para descrever os materiais cerâmicos que possuem propriedades elétricas, magnéticas, ou óticas específicas, podendo atuar como isoladores, materiais ferroelétricos, cerâmicas altamente condutoras, elétrodos, sensores e atuadores.

Neste capítulo serão discutidas as propriedades estruturais relacionadas aos termistores, varistores e transformadores de energia. Em adição, as propriedades de capacitores de multicamadas serão abordadas. Os materiais eletrocerâmicos de aplicação tecnológica incluem ferrita, substratos eletrônicos para capacitores de multicamadas, transdutores piezoelétricos e uma variedade de termistores. A compreensão dos fenômenos em cristais de ferrita é de grande relevância, bem como dentro do campo da ferroeletricidade, onde podem ser utilizados como capacitores e transformadores de energia piezoelétrica. Nos termistores com coeficiente de temperatura negativo NTC (da sigla em inglês Negative Temperature Coefficient), a resistência diminui com o aumento da temperatura. Em sensores de zircônia, a condutividade elétrica é controlada pelos grãos, sendo o contorno de grãos determinante nas propriedades dos termistores com coeficiente de temperatura positivo PTC (da sigla em inglês Positive Temperature Coefficient), para os quais o coeficiente de variação da resistência com a temperatura é positivo, isto é, a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Camadas superficiais são de grande importância para sensores de umidade e catalisadores cerâmicos.

Alguns tipos de sensores cerâmicos como o de temperatura (termistores), pressão, eletricidade, magnetismo, atmosfera, aplicações eletroquímicas e troca – iônica são pouco estudados na maioria dos países.

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Sensores de umidade são utilizados para regular as descargas elétricas em automóveis. A resistência superficial (Figura 1.1) varia em relação a umidade através de um fator da ordem de quatro vezes.

Óxido metálico

Sal sensibilizado106

Umidade (%)

Figura 1.1 - Variação da resistência elétrica dos sensores óxidos em função da umidade.

Substratos (ZnO, TiO2, Fe3O4) com área superficial elevada e com adsorção de sais possuem em particular camadas sensíveis à umidade. O mecanismo físico para o processo de condução superficial é mostrado na equação (1.1).

←(1.1)
A condução ocorre por meio da reação em cadeia de Grotthuss*, para a qual os

prótons são transferidos de uma molécula de água para a próxima através de um mecanismo de adsorção física na superfície da água, onde um íon hidróxido é liberado na superfície da reação. Cerâmicas de hidroxiapatita (Figura 1.2) exibem umidade nos sensores devido à presença de forças atrativas entre a superfície de grupos hidroxila e as moléculas de água adjacentes.

*Cadeia de Grotthuss: mecanismo de condutividade do próton em água.

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A camada de adsorção química é precedida por uma camada de adsorção física em que os portadores tomam lugar. Considerando altos índices de umidade, onde mais de uma camada superficial é formada, há uma permuta do mecanismo de condução.

Oxigênio ( O )

Cálcio ( Ca ) Fósforo ( P )

Hidrogênio ( H )

Cadeia Grotthus

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 água.

1.1.1 Termistores

Termistores são semicondutores sensíveis à temperatura. Três tipos de termistores cerâmicos são muito utilizados: Termistores com coeficiente de temperatura negativo NTC, Termistores com coeficientes de temperatura positivo PTC e Termistores de temperaturas críticas. A típica variação da resistência em função da temperatura é ilustrada na Figura (1.3). Em geral, o dióxido de vanádio (VO2) é usado em termistores de temperaturas críticas. Abaixo dessa temperatura, VO2 é um semicondutor com coeficiente de temperatura negativo em relação à resistência. Acima dessa temperatura, tal material exibe um grande aumento na condutividade (cerca de duas ordens de grandeza) e uma variação muito pequena com a temperatura. A temperatura crítica de 80 ºC pode ser modificada somente por variação na composição química.

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O íon V4+ na estrutura do VO2 possui uma configuração eletrônica com camada eletrônica externa 3d e estrutura de empacotamento compacto. Em baixas temperaturas, os íons adjacentes V4+ formam ligações, gerando um band gap* e comportamento semicondutor. Uma transição de fase ocorre em torno de 80 ºC, para a qual os elétrons do orbital 3d são liberados da ligação, tornando-se livres para condução da eletricidade. Como mostra a Figura 1.4, variações na estrutura dos cristais acompanham a transição de fase. A estrutura do tipo rutilo para o VO2, encontrada em altas temperaturas, transforma-se numa estrutura monoclínica distorcida abaixo de 80 ºC.

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Temperatura Crítica de Termistores

Termistores PTC

Termistores NTC

Temperatura ( oC)

Figura 1.3 - Evolução da resistência elétrica em termistores. Resistência em função da temperatura para diversas ordens de grandeza.

*band gap: diferença de energia entre a banda de valência e a banda de condução.

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