INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CARBETO DE SILÍCIO EM MATERIAL ABSORVEDOR DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA À BASE DE FERRITA

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1 INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE CARBETO DE SILÍCIO EM MATERIAL ABSORVEDOR DE RADIAÇÃO ELETROMAGNÉTICA À BASE DE FERRITA Míriam Kasumi Hwang Yassuda 1, Amanda da Silva Castro 2 1 Departamento de Ciência e Tecnologia Aeroespacial - Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE) Div. Materiais Praça Marechal-do-Ar Eduardo Gomes, São José dos Campos/SP Brasil miriammkh@iae.cta.br, miriamhw2000@yahoo.com.br 2 Universidade de São Paulo/EEL Lorena/SP - Brasil Resumo Neste trabalho, o carbeto de silício (SiC) foi adicionado à ferrita de manganês e zinco para testar o desempenho do conjunto como material absorvedor de radiação eletromagnética. Os pós foram misturados e moídos em moinho de alta energia por uma hora. A seguir, esta mistura foi peneirada e incorporada à resina epóxi, em iguais proporções em massa. Este material homogeneizado foi colocado em moldes retangulares. Após a cura, as amostras foram retiradas dos moldes e desbastadas em retífica para garantir o paralelismo e espessura de 3,0 e 4,0 mm. O ensaio de atenuação de radiação eletromagnética foi na faixa de frequência da banda X (8,2 a 12,4 GHz). Com 4,0 mm de espessura, as amostras com 90% e 70% de ferrita apresentaram melhores atenuações, superando até mesmo a amostra pura de ferrita. Entretanto com espessura de 3,0 mm, todas as amostras aditivadas com SiC apresentaram atenuações bem inferiores a da ferrita. Palavras-chave: ferrita, carbeto de silício, micro-ondas, material absorvedor de radiação eletromagnética INTRODUÇÃO Os Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética (MARE) possuem características químicas e físicas que convertem a energia da onda eletromagnética 623

2 incidente, em outro tipo de energia, mais comumente em energia térmica. Esses materiais podem ser utilizados em setores espaciais, aeronáutico, telecomunicações e médico, em aplicações que requerem o controle do nível da radiação eletromagnética (1). Suas propriedades eletromagnéticas podem ser combinadas com as de outros materiais, de forma a atenuar a radiação de microondas em frequência especifica, ou em banda larga de frequência (2). Um MARE ideal deve apresentar como características principais: durabilidade, baixa massa específica, baixo custo, boa atenuação da radiação dentro faixa de frequência desejada e ser de fácil aplicação (2). As ferritas são materiais cerâmicos com propriedades magnéticas, que devido às possíveis combinações de composições químicas e estruturais, podem ser utilizadas em varias aplicações especificas, tais como MARE. Para cada tipo de estrutura cristalina (espinélio, granada e hexagonal) o ajuste das propriedades magnéticas possibilita a atenuação de micro-ondas em diferentes frequências (3-4). Em termos de massa específica, a da ferrita de manganês e zinco pode variar de 4,9 a 5,2 g/cm³ (5). O carbeto de silício (SiC) é amplamente usado como material na construção de maquinas, turbinas, sistemas de transferência de calor, reatores nucleares e de fusão, semicondutores, na camada de proteção térmica das naves espaciais e outras aplicações especiais, que requerem excelentes propriedades mecânicas em altas temperaturas. Sua massa especifica é de cerca 3,2 g/cm³, na temperatura ambiente (6). O objetivo deste trabalho é estudar a influência da adição de carbeto de silício em materiais absorvedores de radiação eletromagnética à base de ferritas de manganês e zinco, quanto à atenuação da radiação eletromagnética, na banda X. MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, foram utilizados SiC (H.C. Starck) e ferrita de manganês e zinco (Sontag), os dois pós foram caracterizados por difratometria de raios X para confirmação de fases cristalinas. O ensaio foi realizado em difratômetro de raio X (Panalytical, X Pert Pro MPD) de tubo de cobre e filtro de níquel, no intervalo de ângulo de difração (2 ) de 10 a

3 Os corpos-de-prova para ensaios de atenuação de radiação foram feitos no tamanho exato do vão do porta-amostra do guia de ondas (22,86 mm x 10,16 mm). Sete amostras com diferentes proporções entre SiC e ferrita foram escolhidas para o estudo. A Tabela 1 mostra a identificação das amostras com as respectivas proporções. As amostras foram levadas ao moinho de alta energia (Spex), por uma hora para mistura e homogeneização dos pós. Em um recipiente, foram colocados 2 gramas de pó de cada composição (Tabela 1) e a resina epóxi, na proporção de 1 grama de adesivo para 1 grama de endurecedor (Araldite, Brascola LTDA). Esta mistura foi vertida em moldes de aço inoxidável fixado em uma placa de alumínio. O conjunto (molde e placa) foi envolvido por uma bolsa de plástico e submetido à bomba de vácuo por 30 minutos. A seguir, o material passou por processo de cura por 24 horas. As amostras foram removidas dos moldes e desbastadas em retífica até a espessura de 4,0 e 3,0 mm. Foram feitas medidas de atenuação de radiação em equipamento de guia de ondas (Agilent Vector Net Analyzer HP8510), na banda X (8,2 a 12,4 GHz), nas duas espessuras. amostras. Tabela 1 Relação do percentual em massa de cada material utilizado nas Amostra Ferrita MnZn (% em massa) Carbeto de Silício (% em massa) F % - SiC - 100% F9S1 90% 10% F7S3 70% 30% F5S5 50% 50% F3S7 30% 70% F1S9 10% 90% RESULTADOS E DISCUSSÕES A Figura 1 mostra o difratograma de raio X dos pós precursores. A amostra de carbeto de silício apresentou a fase beta cúbica do carbeto, enquanto a de ferrita apresentou a fase genérica de ferrita de manganês e zinco. O parâmetro de rede do SiC beta é 4,36 Å, enquanto o da ferrita de MnZn é 8,48 Å. A Figura 2 (a) refere-se à espessura de 4,0 mm. Nessa espessura, a amostra F9S1 apresenta um melhor resultado de um modo geral, embora nas frequências iniciais, a amostra F7S3 tenha atenuações melhores, superando as da F100, ou 625

4 seja, amostra de ferrita pura. No mesmo gráfico, as amostras F1S9, F3S7, F5S5, F9S1 e SiC possuem curvas parabólicas com concavidade para cima. Pelo formato das curvas das amostras F7S3 e F100, é provável que suas curvas sejam parte de parabólicas, que se estendem em frequências fora do intervalo medido. A amostra SiC tem sua melhor atenuação melhor em torno de -3,5 db ou 55,8% (de 8,6 à 9,0 GHz). A amostra F9S1 apresenta atenuação de -19,4 db ou 99,0% (em 8,8 GHz). Em 8,2 GHz, a amostra F7S3 possui atenuação máxima é de -21,1 db, cerca de 99,2%. A amostra F5S5 tem o desempenho de 94,9% ou -13,0 db, em 8,4 GHz. A amostra F3S7 tem melhor valor de atenuação de -6,7 db ou 78,5% de 8,7 a 8,9 GHz. A amostra F1S9 apresenta atenuação de -4,2 db ou 62,1% na faixa de 8,6 a 9,1 GHz. Figura 1 Difratograma de raio X dos pós precursores. A Figura 2 (b) é referente à espessura de 3,0 mm. Nessa espessura, a ferrita pura possui uma ótima atenuação -20,1 db (99,0%), na faixa de 9,4 a 11,0 GHz. A amostra SiC tem melhor atenuação de apenas 2,4 db ou 42,4% na faixa de 11,3 a 11,8 GHz. A amostra F9S1 uma boa atenuação de -7,8 db ou 83,4% na faixa de 11,2 a 11,6 GHz. A amostra F7S3 apresenta uma absorção boa de -8,7 db ou 86,4% na faixa de 10,3 a 10,5 GHz. A amostra F5S5 possui atenuação máxima de -6,4 ou 77,1% na faixa de 10,7 a 11,2 GHz. A amostra F3S7 atenuação de -4,2 db ou 62,1% de 11,1 a 11,4 GHz. A amostra F1S9 tem sua maior atenuação de -3,1 db ou 50,8% na faixa de 11,3 a 12,0 GHz. Na espessura de 3,0 mm, a amostra com adição de 626

5 SiC que obteve melhor resultado de atenuação foi a amostra F7S3 com 86,4%, e na espessura de 4 mm a amostra com melhor resultado também foi a F7S3 com 99,2%, seguida da amostra F9S1 com 99,0% de absorção. (a) (b) Figura 2 Atenuação (db) em função da Frequência (GHz). CONCLUSÃO A adição de carbeto de silício influencia a intensidade. Para 3,0 mm, não compensaria a adição, porque os resultados foram muito inferiores aos da ferrita. O acréscimo de SiC à ferrita só seria vantajoso com espessura de 4,0 mm. Nessa espessura, a melhor amostra foi a F9S1(com 10% de adição de SiC). A decisão de escolha estaria na espessura e na faixa de frequência, em que se deseja melhor desempenho. AGRADECIMENTOS À FAPESP, processo n 2014/ (Reparo em equipamento de difratometria de raios X). REFERÊNCIAS 1. Kumar, A.; Agarwala, V. and Singh, D. Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 29, , Liu,Y.; Liu, X. and Wang, Xuanjun. Journal of Alloys and Compounds 584 (2014) Li, Y.; Liu, R.; Zhang, Z. and Xiong, C. Mater. Chem. Phys. 64 (2000)

6 4. Forveille, J. L.; Olmedo, L. and Raby, J. J. Physique IV 7 (1997) C1-427/8. 5. Bezerra, M. J. O. S. Dissertação de Mestrado em Química Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN p. 6. Hwang, M. K. Tese Doutorado. INPE/CTA, p. Influence of silicon carbide addition in microwave absorbing material based on ferrite ABSTRACT In this work, silicon carbide was added to MnZn ferrite to evaluate the performance as radar absorbing material. The powders were mixed and milled in the high energy milling for one hour. This mixture was sieved and incorporated into the epoxy resin (same proportions in weight). This homogenous material was placed in rectangular molds. After curing, the samples were removed from the molds and chopped into grinding to ensure parallelism and a thickness of 3.0 to 4.0 mm. The reflection loss was measured in the frequency range of X band (8.2 to 12.4 GHz). At 4.0 mm, the samples with 90% and 70% ferrite showed better reflection loss. Both samples are better than the pure ferrite sample. However, about the thickness of 3.0 mm, all samples with SiC showed the reflection loss smaller than ferrite. KEY-WORDS: ferrite, silicon carbide, microwaves, radar absorbing material 628