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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78253
Type: | Tese |
Title: | Estudo numérico e experimental das propriedades elétricas das columbitas ZnNb2O6, CaNb2O6 e seus compósitos para aplicações em componentes de alta frequência |
Title in English: | Numerical and experimental study of the electrical properties of columbites ZnNb2O6, CaNb2O6 and their composites for applications in high frequency components |
Authors: | Barros, Helenilson de Oliveira |
Advisor: | Sombra, Antônio Sérgio Bezerra |
Keywords in Brazilian Portuguese : | Niobato de zinco;Estabilidade térmica;Compostos cerâmicos;DRA cilíndrica |
Keywords in English : | Zinc niobate;Thermal stability;Electro ceramic compounds;Cylindrical DRA |
Knowledge Areas - CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA |
Issue Date: | 2024 |
Citation: | BARROS, Helenilson de Oliveira. Estudo numérico e experimental das propriedades elétricas das columbitas ZnNb2O6, CaNb2O6 e seus compósitos para aplicações em componentes de alta frequência. 2024. 116 f. Tese (Doutorado em Química) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2024. |
Abstract in Brazilian Portuguese: | Nos últimos anos a demanda por tecnologia sem fio tem impulsionado as pesquisas na área da engenharia das telecomunicações e engenharia de materiais. Dispositivos de comunicação cada vez mais velozes, transferência de carga sem fio, radares militares e armamento bélico autônomos são exemplos da infinidade da aplicação dessa promissora tecnologia. Neste contexto a síntese de materiais que possam operar região da micro-ondas do espectro eletromagnético é de grande interesse e desperta a atenção das áreas de química dos materiais e física do estado sólido. Desta forma, o estudo objetivou a síntese e caracterização de matrizes cerâmicas de niobato de zinco (ZnNb2O6) com diferentes adições de titanato de cálcio (CaTiO3), ZNO(1-x)-CTOx,(x = 0; 0,1; 0,2; 0,4 e 0,45 valores em fração molar) utilizando o método convencional do estado sólido. As propriedades dielétricas na região da micro-onda e rádio frequência e suas características para uso como antena ressoadora dielétrica e como componentes eletrônicos, foram realizadas. Para tal foi escolhido a forma cilíndrica para estudo dos modos elétricos. Posterior ao processo de sinterização das peças cerâmicas foi utilizado a técnica de difração de Raios–X (DRX) para caracterização estrutural, identificando a fase pretendida na matriz ZNO e as fases formadas a partir das adições. A técnica de microscopia eletrônica de varredura (MEV) trouxe informações sobre a morfologia que ajudaram a entender as respostas de densificação e permissividade, mostrando, em alguns casos, a formação de camadas sobrepostas com o acréscimo de CTO. A estabilidade térmica das amostras foi mensurada experimentalmente através do estudo do coeficiente de temperatura de frequência ressonante (𝜏𝑓) em diferentes temperaturas, os resultados confirmaram melhora na estabilidade térmica dos compósitos com valores entre -88.95 até -8.16 ppm/ºC. O método desenvolvido por Hakki-Coleman foi utilizado para obter as propriedades dielétricas na faixa de micro-ondas, como constante dielétrica (εr) e tangente de perda (tg-δ), de todas as amostras. Já as propriedades na região da rádio frequência foram analisadas pela técnica de espectroscopia de impedância utilizando as grandezas módulo elétrico, condutividade e impedância real e imaginária, além de mensurar as de energia de ativação, permissividades e diagrama de Nyquist. A adição de CTO contribuiu para a evolução das propriedades dielétricas dos compósitos, como permissividade e tangente de perda, além de diminuir a energia de ativação. Da mesma forma as adições promoveram significativa melhora, a partir de discretas adições, para a coeficiente de temperatura de capacitancia. A simulação numérica demonstrou o funcionamento do material como uma antena ressonadora dielétrica (DRA), com uma perda de retorno abaixo de -10 dB, ganho variando de 4,5 a 6 dBi e eficiência de radiação acima de 96% em todas as amostras. |
Abstract: | In recent years, the demand for wireless technology has boosted research in the areas of telecommunications engineering and materials engineering. Increasingly speedy communication devices, wireless charge transfer, military radars and autonomous weapons are small examples of the infinite application of this promising technology. In this context, the synthesis of materials that can operate in the microwave region of the electromagnetic spectrum is of great interest and attracts attention in the areas of materials chemistry and solid-state physics. Thus, the study carried out here aimed at the synthesis and characterization of zinc niobate (ZnNb2O6), ceramic matrices with different additions of calcium titanate (CaTiO3), ZNO(1-x)-CTOx,(x = 0; 0.1; 0.2; 0, 4 and 0.45 values in mole fraction) using the conventional solid state method for the synthesis of these materials. After obtaining the samples, the dielectric properties in the microwave and radio frequency region and their characteristics for use as a dielectric resonator antenna and as electronic components were analyzed. For this purpose, the cylindrical shape was chosen to study the electrical modes. After the sintering process of the ceramic pieces, the X-ray diffraction (XRD) technique was used for structural characterization, identifying the desired phase in the ZNO matrix and the phases formed from the additions. The scanning electron microscopy (SEM) technique provided information about the morphology that helped to understand the densification and permittivity responses, showing, in some cases, the formation of overlapping layers with the addition of CTO. The thermal stability of the samples was measured experimentally through the study of the resonant frequency temperature coefficient (𝜏𝑓) at different temperatures, the results confirmed an improvement in the thermal stability of the composites with values between -88.95 to -8.16 ppm/ºC. The method developed by Hakki-Coleman was used to obtain dielectric properties in the microwave range, such as dielectric constant (εr) and loss tangent (tg-δ), of all samples. The properties in the radio frequency region were analyzed using the impedance spectroscopy technique using the electrical modulus, conductivity and real and imaginary impedance quantities, in addition to measuring activation energy, permittivity and Nyquist diagram. The addition of CTO caused a slight increase in the dielectric properties of the composites, such as permittivity, in relation to the pure sample, while the addition of CTO to the composite decreased the dielectric loss, in addition to decreasing the activation energy for the thermally stable samples. The numerical simulation demonstrated the material's functioning as a dielectric resonator antenna (DRA), with a return loss below -10 dB, gain ranging from 4.5 to 6 dBi and radiation efficiency above 96% in all samples. |
URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/78253 |
Author's ORCID: | https://orcid.org/0000-0002-9016-1283 |
Author's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/6893966914586204 |
Advisor's ORCID: | https://orcid.org/0000-0001-6461-6793 |
Advisor's Lattes: | http://lattes.cnpq.br/6034251420222926 |
Access Rights: | Acesso Aberto |
Appears in Collections: | DQOI - Teses defendidas na UFC |
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