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Tipo: Tese
Título: Análise da estabilidade térmica e das propriedades elétricas da matriz Ba²TiSi²O8, com adição de TiO², para aplicações em alta frequência (Banda C)
Título em inglês: ANALYSIS OF THERMAL STABILITY AND ELECTRICAL PROPERTIES OF THE Ba2TiSi2O8 MATRIX, WITH THE ADDITION OF TiO2, FOR HIGH FREQUENCY APPLICATIONS (BAND C)
Autor(es): Abreu, Roterdan Fernandes
Orientador: Sombra, Antônio Sérgio Bezerra
Palavras-chave em português: Propriedades dielétricas;Micro-ondas;Ba2TiSi2O8;numerical simulation
Palavras-chave em inglês: Dielectric properties;microwave;Ba2TiSi2O8;numerical simulation
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Data do documento: 31-Jan-2024
Citação: ABREU, R.F. Análise da estabilidade térmica e das propriedades elétricas da matriz Ba²TiSi²O8, com adição de TiO², para aplicações em alta frequência (Banda C). 2024. 184f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
Resumo: Este trabalho estudou as propriedades dielétricas na região de radiofrequência e micro-ondas da cerâmica Ba2TiSi2O8 (BTS) com adições de TiO2 e suas possíveis aplicações como componenete capacitivos ou antena ressoadora dielétrica. Utilizou-se a difração de raios – X para a caracterização estrutural dos materiais e o refinamento de Rietveld para confirmação das fases. A análise morfológica dos materiais foi realizada por microscopia eletrônica de varredura (MEV). Através da Espectroscopia de Impedância Complexa (EI) foram estudadas as relações entre as propriedades elétricas e a microestrutura da matriz e compósitos. O modelo aplicado que melhor descreve o comportamento encontrado nas amostras é o modelo Havriliak-Negami. A partir do EI observou-se que a permissividade relativa dielétrica apresentou valores elevados no BTS10 (ε’r = 2,6∙104) e BTS20 (ε’r = 2,5∙104) o que permite classificá-los como materiais de permissividade colossal. Este é um resultado importante devido ao potencial para aplicações em novos sistemas de armazenamento, dispositivos capacitivos e microeletrônica. Diagramas de Nyquist foram empregados para avaliar a contribuição do grão e do contorno de grão na resposta elétrica das amostras e ajustados empregando um circuito equivalente com duas associações de R-CPE. Todas as amostras apresentaram grãos (380 º - 460 ºC) com caráter condutivo. Já os contornos de grãos são resistivos para todos os compósitos na faixa de temperatura estudada. Também foram obtidos os valores de coeficiente de capacitância de temperatura (TCC) para todas as amostras sendo observado um crescimento no valor de TCC para os compostos em todas as frequências. Além disso, a EI demonstrou que a energia de ativação dos processos termoativados diminui com a adição, indicando uma diminuição no caráter resistivo dos materiais. Com relação a análise das propriedades dielétricas na região de micro-ondas revelaram aumento na permissividade dielétrica (εr) e diminuição na tangente de perda (tg δ) das amostras, enquanto que o coeficiente de temperatura de frequência ressonante (τf) mostrou uma variação de - 47,0 ppm/°C a + 16,5 ppm/°C. Nesta análise ressalta-se a amostra BTS30 que obteve τf = - 8,41 ppm/°C na faixa requerida para aplicações tecnológicas. A simulação numérica apresentou bons ajustes dos dados experimentais, com destaque para ganho e diretividade, variando de 4 dBi a 6 dBi e eficiência de radiação acima de 80%. Os resultados demonstram que as amostras podem operar em eletrônicos de banda C, dispositivos Wi-Fi, sistemas de radar meteorológico, etc.
Abstract: This work studied the dielectric properties in the radio frequency and microwave region of the Ba2TiSi2O8 ceramic (BTS) with additions of TiO2 and its possible applications as capacitive components or dielectric resonator antenna. X-ray diffraction was used for the structural characterization of the materials and Rietveld refinement to confirm the phases. The morphological analysis of the materials was carried out using scanning electron microscopy (SEM). Using Complex Impedance Spectroscopy (EIC), the relationships between the electrical properties and the microstructure of the matrix and composites were studied. The applied model that best describes the behavior found in the samples is the Havriliak-Negami model. From the EIC it was observed that the relative dielectric permittivity presented high values in BTS10 (ε’r = 2,6∙104) and BTS20 (ε’r = 2,5∙104), which allows them to be classified as materials with colossal permittivity. This is an important result due to the potential for applications in new storage systems, capacitive devices and microelectronics. Nyquist diagrams were used to evaluate the contribution of grain and grain boundary to the electrical response of the samples and adjusted using an equivalent circuit with two R-CPE associations. All samples presented grains (380 º - 460 ºC) with a conductive character. Grain boundaries are resistive for all composites in the temperature range studied. The temperature capacitance coefficient (TCC) values were also obtained for all samples, with an increase in the TCC value being observed for the compounds at all frequencies. Furthermore, EIC demonstrated that the activation energy of heat-activated processes decreases with addition, indicating a decrease in the resistive character of the materials. Regarding the analysis of dielectric properties in the microwave region, an increase in the dielectric permittivity (εr) and a decrease in the loss tangent (tg δ) of the samples were revealed, while the resonant frequency temperature coefficient (τf) showed a variation of - 47.0 ppm/°C to + 16.5 ppm/°C. In this analysis, the BTS30 sample stands out, which obtained τf = - 8.41 ppm/°C in the range required for technological applications. The numerical simulation presented good adjustments to the experimental data, with emphasis on gain and directivity, ranging from 4 dBi to 6 dBi and radiation efficiency above 80%. The results demonstrate that the samples can operate on C-band electronics, Wi-Fi devices, weather radar systems, etc.
Descrição: ABREU, Roterdan Fernandes. Análise da estabilidade térmica e das propriedades elétricas da matriz Ba²TiSi²O8, com adição de TiO², para aplicações em alta frequência (Banda C). 2024. 181 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/76910
Currículo Lattes do(s) Autor(es): http://lattes.cnpq.br/5979191856911568
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6034251420222926
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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