Desenvolvimento de substratos cerâmicos de dióxido de titânio com alta permissividade para utilização em antenas.
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Date
2020
Authors
Freitas, Antonio Evangelista de
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Abstract
É investigado o dióxido de titânio (TiO2) como substrato dielétrico para aplicações
em dispositivos de telecomunicações, em especial antenas de microfita. A escolha foi
baseada no baixo preço do TiO2 e seu comportamento inofensivo à saúde humana. Os
substratos foram fabricados pela sinterização por estado sólido. Esta técnica produz
cerâmicas de qualidade a baixo custo, o que favorece a viabilidade econômica para as
futuras antenas. Devido às propriedades dielétricas, o substrato torna-se importante para a
miniaturização e eficiência das antenas. Neste sentido uma completa caracterização da
microestrutura torna-se necessária, bem como uma detalhada caracterização das
propriedades eletromagnéticas.
Os substratos de dióxido de titânio foram sintetizados em temperaturas que
variaram de 1150 °C a 1350 °C. O tempo de sinterização também foi investigado, obtendose amostras com tempos de 4 e 12 horas. A difração de raios X e a microscopia eletrônica
de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a estrutura cristalina, o tamanho dos
grãos e a porosidade das amostras resultantes. As cerâmicas obtidas são tetragonais (fase
rutilo), com tamanhos médios de grãos variando de 2,94 µm a 5,81 µm. A variabilidade
dos tamanhos de grãos, evidenciada pelo erro médio padrão, não foi muito grande para
cada temperatura/tempo de sinterização, o que confirma que não houve crescimento
anormal de grão. O tamanho médio dos grãos das amostras aumenta com o aumento da
temperatura, enquanto a porosidade total diminui, bem como o tamanho médio das
porosidades. O mesmo comportamento, de tamanho de grão e porosidade, é observado
quando se mantém a temperatura constante e incrementa-se o tempo de sinterização.
O efeito da microestrutura nas propriedades dielétricas dos substratos cerâmicos
também foi estudado. Densidades relativas obtidas entre 0.66 e 0.86 indicam a evolução do
processo de densificação à medida que tempo/temperatura aumentaram. A densificação,
evidenciado pela redução da porosidade e crescimento dos grãos, das amostras aumentam
as suas permissividades dielétricas relativas. Um modelo analítico inovador foi
desenvolvido, permitindo que se estime a permissividade do material sem poros. Os
valores obtidos para a permissividade dielétrica foram elevados se comparados com
substratos comerciais usualmente utilizados em componentes de telecomunicações. Isso
indica que os substratos cerâmicos obtidos podem ser úteis na miniaturização de
dispositivos de telecomunicações, especialmente as antenas de microfita. As tangentes de
perdas foram próximas de zero, o que garante uma boa eficiência para os futuros
equipamentos construídos sobre os substratos cerâmicos desenvolvidos.
Description
Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
Keywords
Dióxido de titânio, Sinterização - sólidos, Antenas - eletrônica, Cerâmica - tecnologia
Citation
FREITAS, Antonio Evangelista de. Desenvolvimento de substratos cerâmicos de dióxido de titânio com alta permissividade para utilização em antenas. 2020. 108 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2020.