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Tipo: Tese
Título: Investigação das propriedades estruturais e dielétricas da matriz YVO4 e seus compósitos (YVO4-TiO2) como função da temperatura para aplicações em engenharia de micro-ondas
Título em inglês: Investigation of structural and dielectric properties of YVO4 matrix and its composites (YVO4-TiO2) as a function of temperature for microwave engineering applications
Autor(es): Sousa, Wellington Viana de
Orientador: Sombra, Antonio Sergio Bezerra
Palavras-chave em português: Ortovanadato de ítrio;Compósito eletrocerâmico;Estabilidade térmica;DRA
Palavras-chave em inglês: Yttrium orthovanadate;Electroceramic composite;Thermal stability;DRA
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Data do documento: 2023
Citação: SOUSA, Wellington Viana de. Investigação das propriedades estruturais e dielétricas da matriz YVO4 e seus compósitos (YVO4-TiO2) como função da temperatura para aplicações em engenharia de micro-ondas. 2023. 100 f. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2023.
Resumo: O estudo das propriedades dielétricas das cerâmicas tem crescido com o desenvolvimento de setores como eletrônica, telecomunicação e computação. O ortovanadato de ítrio (YVO4) é um material cerâmico que tem sido largamente investigado por suas propriedades ópticas, mas pouco explorado por suas propriedades elétricas. Este trabalho descreve a síntese, a caracterização estrutural e a investigação do comportamento dielétrico na região de radiofrequência (RF) e de micro-ondas (MW) do YVO4 na forma de compósito com TiO2: YVO4-TiO2 (YVTx, com x=10, 20, 30 e 40 % em mol de TiO2). Os materiais também foram avaliados como antenas ressoadoras dielétricas (DRA). Por meio da Difração de Raios X e do refinamento Rietveld, comprovou-se a obtenção do YVO4 como fase pura. Para os compósitos, confirmou-se a presença do TiO2 e do Y2Ti2O7 como fase secundária em pequena proporção, variando entre 1,15 a 3,62 % em massa. O comportamento elétrico em RF por espectroscopia de impedância indicou a presença de processos termicamente ativados entre 200 e 440 °C. Entre 100 e 180 °C, identificou-se comportamento típico de material com coeficiente de temperatura positivo da resistividade (PTCR). Em temperatura ambiente, o YVO4 e os compósitos exibiram permissividade (ε’) colossal (> 104) na região de baixa frequência (f < 100Hz) sendo atribuído aos processos de polarização de carga espacial e apresentaram tg δ < 1 (tangente de perda) quando f > 100 kHz. A variação da condutividade com a frequência seguiu a lei de Jonscher. Os diagramas de Nyquist foram bem ajustados por meio de circuito elétrico equivalente constituído por um elemento resistor (R) conectado em paralelo por um elemento constante de fase (CPE) e combinados em série com outro sistema R-CPE, indicando a região de grão e contorno de grão do material. O YVT40 a 10 kHz com Coeficiente de Temperatura da Capacitância (TCC) de -24 ppm°C-1 e o YVT20 a 10 MHz (TCC = 20 ppm°C-1) apresentaram as melhores estabilidades térmicas da capacitância em RF. Os compósitos também tiveram suas propriedades dielétricas caracterizadas na região de MW por meio da técnica Hakki-Coleman e coeficiente de temperatura da frequência de ressonância (τf) determinado pelo método de Silva-Fernandes-Sombra. Os compósitos apresentaram εr ≈ 12 e tg δ entre 10-2 e 10-3. O YVT20 exibiu elevada estabilidade térmica da frequência ressonante com τf = 6,96 ppm °C-1. Nos testes de DRA e simulação numérica, o YVT20 apresentou alta eficiência de radiação (95,49 %), tornando-se um candidato potencial para aplicações em comunicação sem fio que opere na banda C (4 – 8 GHz).
Abstract: The study of the electric properties of ceramics has increased with the development of sectors such as electronics, telecommunications, and computing. Yttrium orthovanadate (YVO4) is a ceramic material that has been widely investigated for its optical properties, but its electrical properties have been little explored. This work describes the synthesis, structural characterization, and investigation of the dielectric behavior in the radiofrequency (RF) and microwave (MW) region of YVO4 in the form of a composite with TiO2: YVO4-TiO2 (YVTx, with x=10, 20, 30 and 40 mol% TiO2). The materials were also evaluated as dielectric resonator antennas (DRA). Through X-ray diffraction and Rietveld refinement, it was confirmed that YVO4 was obtained as a pure phase. For the composites, the presence of TiO2 and Y2Ti2O7 was confirmed as a secondary phase in small proportion, varying between 1.15 and 3.62% by weight. The electrical behavior in RF by impedance spectroscopy indicated the presence of thermally activated processes between 200 and 440 °C. Between 100 and 180 °C, the typical behavior of a material with a positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) was identified. At room temperature, YVO4 and the composites exhibited colossal ε' (> 104) in the low-frequency region (f < 100 Hz) being attributed to space charge polarization processes and presented tan δ < 1 (loss tangent) when f > 100kHz. The variation of conductivity with frequency followed Jonscher’s law. The Nyquist diagrams were well adjusted using an equivalent electrical circuit consisting of a resistor element (R) connected in parallel by a phase constant element (CPE) and combined in series with another R-CPE system, indicating the grain and boundary region grain of the material. The YVT40 at 10 kHz with a Capacitance Temperature Coefficient (TCC) of -24 ppm°C-1 and the YVT20 at 10 MHz (TCC = 20 ppm°C-1) presented the best thermal stability of the capacitance in RF. The composites also had their dielectric properties characterized in the MW region using the Hakki-Coleman technique and the resonance frequency temperature coefficient (τf) was determined using the Silva-Fernandes-Sombra method. The composites presented εr ≈ 12 and tan δ between 10-2 and 10-3. YVT20 exhibited high thermal stability of the resonant frequency with τf = 6.96 ppm °C-1. In DRA and numerical simulation tests, YVT20 exhibited high radiation efficiency (95.49%), making it a promising candidate for wireless communication applications operating in the C band (4 – 8 GHz).
Descrição: Bolsista Funcap (out/2028 a out/2020)
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/77297
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-6415-9921
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/9600035615687534
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-6461-6793
Currículo Lattes do Orientador: http://lattes.cnpq.br/6034251420222926
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
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