ESTUDO DO EFEITO DE ADITIVOS MAGNÉTICO/DIELÉTRICO NO COMPORTAMENTO DE BORRACHAS ABSORVEDORAS DE MICROONDAS

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1 ESTUDO DO EFEITO DE ADITIVOS MAGNÉTICO/DIELÉTRICO NO COMPORTAMENTO DE BORRACHAS ABSORVEDORAS DE MICROONDAS Adriana M. Gama 1,2*, Joseane M. da R. P. Gonçalves 1,2, Andreza de Moura 1, Mirabel C. Rezende 1 1 Divisão de Materiais/ Instituto de Aeronáutica e Espaço IAE -CTA adriana.gama@iae.cta..br ; 2 Instituto Tecnológico da Aeronáutica - ITA, Praça Marechal Eduardo Gomes, 50 - Campus do CTA - Vila das Acácias, CEP: , São José dos Campos - SP Telefone+55 (12) , Fax +55(12) , Brasil. A study of the effect of the electrical and magnetic constituents in the development of radar absorbing materials. Radar Absorbing Materials (RAM) are usually constituted an addictive (magnetic and/or dielectric) and a silicon resin. When processed in a convenient rote they promote high loss of energy in certain frequencies. Among the benefits involving the RAM development based on carbonyl iron or polianiline it can be mentioned the camouflage of terrestrial and aerial platforms, the elimination of interference in the measurement ambient, the elimination of spurious signs of cellular telephones, microwave ovens and antennas of radio. The main objective of this study is to study the effect an magnetic and/or dielectric addictive in the RAM development, through the characterization electromagnetic (reflectivity measurement) in the frequency range (8,0-12,0 GHz). The reflectivity results measurement show the possibility to develop RAM with band characteristics releases, for the frequency range from 8,0 to 11,0 GHz checking a reduction of up to 99,9%. Introdução O aumento na demanda por materiais absorvedores de radiações eletromagnéticas tem se constituído em uma importante atividade de pesquisa nestas últimas décadas. Impulsionadas principalmente por aplicações nas áreas militar e civil, tais pesquisas reúnem profissionais de diferentes áreas como matemáticos, físicos, químicos, projetistas, engenheiros de materiais, engenheiros aeronáuticos, engenheiros químicos, entre outros. A radiação eletromagnética indesejada é a responsável por um tipo específico de poluição ambiental, conhecido como interferência eletromagnética (EMI Electromagnetic Interference) 1. Tanto no campo militar, como no civil, essa interferência pode ser eliminada ou reduzida pela aplicação dos Materiais Absorvedores de Radiação Eletromagnética (MARE) 1. Basicamente, existem três técnicas de projeto e de obtenção de absorvedores de radiação eletromagnética, baseadas em: cancelamento de fases da onda eletromagnética incidente, espalhamento da onda eletromagnética incidente em direções diferentes da antena receptora, e utilização de materiais com perdas magnéticas e dielétricas intrínsecas, dentro da faixa de freqüências de interesse 2. A técnica de cancelamento de fases da onda eletromagnética procura ajustar a espessura do absorvedor, de forma a provocar o cancelamento de fases da onda incidente com as da onda emergente do absorvedor, na interface do material absorvedor com o ar. Esta técnica é amplamente

2 utilizada na produção de absorvedores conhecidos como ressonantes. Absorvedores ressonantes representam a maior parte do mercado. Esses absorvedores apresentam desempenhos relativamente bons, porém são efetivos somente em faixas de freqüências muito estreitas 2. A técnica de espalhamento da onda eletromagnética é a mais utilizada, quando o principal interesse é de reduzir o eco-radar pelo efeito físico de espalhamento da onda refletida em direções diferentes da antena receptora. Absorvedores com geometria piramidal utilizam esta técnica, entre outros possíveis fenômenos de perdas, como reflexões múltiplas nos poros do absorvedor e perdas ôhmicas promovidas pelo negro de fumo impregnado nesse tipo de absorvedor 2. A utilização de materiais com perdas magnéticas e dielétricas envolve, de uma maneira geral, a atenuação da energia da onda eletromagnética incidente pela conversão da energia da onda em calor, no interior do absorvedor. Neste caso, é necessário ajustar a impedância da superfície do absorvedor de forma que a onda incidente penetre nesse material 2. Acredita-se que, os melhores absorvedores são os que associam mais de um fenômeno de perdas em seu processamento. Infelizmente, esses absorvedores são economicamente mais caros, devido aos problemas relacionados com investimento em pesquisa e processamento. Materiais absorvedores devem ser escolhidos de acordo com as restrições do tipo de aplicação, como freqüência de interesse, facilidade de aplicação, facilidade de produção, durabilidade, desempenho e espessura do material absorvedor. Os materiais absorvedores de radiação eletromagnética, em geral, são constituídos de materiais dielétricos (polímeros condutores) e/ou magnéticos (ferritas, ferro carbonila), que quando processados de maneira conveniente promovem alta perda de energia em determinadas faixas de freqüências. Os MARE atenuam a radiação eletromagnética em determinados comprimentos de onda, em função da combinação dos diferentes tipos de MARE, chegando a materiais multicamadas, conhecidos como absorvedores tipo Jauman 4. Quando os MARE absorvem simultaneamente os campos magnético e elétrico são chamados de materiais absorvedores híbridos 4. A ferro carbonila é amplamente utilizada como centro absorvedor magnético de radiação eletromagnética. É praticamente ferro puro, preparada por meio da decomposição térmica da pentacarbonila de ferro. Normalmente, este aditivo tem aparência de um pó cinzento, formado por micropartículas esféricas e impurezas de carbono, nitrogênio e oxigênio 7. Já como centro absorvedor dielétrico, os polímeros condutores mais utilizados são: o polipirrol, o politiofeno e a polianilina, devido à sua facilidade de síntese e estabilidade ambiental 5. A polianilina (PAni) ocupa um lugar importante, dentre os polímeros condutores mais estudados.

3 As matrizes poliméricas são normalmente utilizadas como suporte para as partículas responsáveis pela absorção da radiação e a escolha do polímero a ser utilizado depende do tipo de aplicação do absorvedor processado. Como exemplo, podemos citar a utilização de materiais absorvedores na forma de mantas de borracha, tintas, tecidos e não tecidos 6. O principal desafio na área de absorvedores eletromagnéticos é ajustar as propriedades do material para que este absorva na mais larga faixa de freqüências e com a menor espessura possível do material absorvedor. Infelizmente, para absorção da radiação na faixa de microondas nas proximidades da banda X, principalmente nas freqüências de operação de radares especiais para a detecção de alvos (6-12 GHz) e de comunicação por satélites (9-12 GHz), existe uma escassez de materiais com valores de permeabilidade maiores que a unidade, importantes na produção de revestimentos finos e de banda larga. Isto tem levado à produção de absorvedores com espessuras consideradas não satisfatórias 2. Este estudo procura contribuir com resultados experimentais de refletividade de MARE obtidos por meio do emprego de diferentes centros absorvedores (dielétricos e magnéticos), aditados em uma matriz polimérica de silicone, aos desenvolvimentos tecnológico e industrial de absorvedores para a banda X. Experimental Materiais e Métodos Como centro absorvedor magnético foi utilizada a ferro carbonila e como centro absorvedor dielétrico foi empregado o polímero condutor polianilina. 1 Polímero Condutor - Polianilina Preparação da Polianilina A seguir estão descritos os reagentes e materiais utilizados na obtenção da polianilina durante a síntese e dopagem: 1.Anilina (C 6 H 5 NH 2 ) P.A. da Synth com 99,0% de pureza (CG). 2.Persulfato de amônio ((NH 4 ) 2 S 2 O 8 ) P.A. da Merck com 99,9% de pureza. 3.Ácido clorídrico fumegante (HCl) P.A. da Merck com 37% de teor mínimo de ácido. 4.Hidróxido de amônio (NH 4 OH) P.A. da Nuclear com 30% de dosagem de NH 3. 5.Cloreto de sódio (NaCl) P.A. da Ultra Prod. Analíticos com 99,9% de pureza.

4 6.Ácido dodecilbenzeno sulfônico (DBSA) C 18 H 30 O 3 S da Fluka Chemika com 90% de pureza (isômeros). 7.Água destilada (H 2 O). 8.Álcool etílico absoluto (C 2 H 6 O) P.A. da Synth com 99,5% de pureza.] 9.Silicone GE - L Catalisador GE Beta 17 A síntese química da polianilina foi realizada no Laboratório Interdisciplinar de Materiais Compósitos Avançados e Absorvedores de Radiação da Divisão de Materiais (AMR) IAE CTA. A polianilina foi sintetizada quimicamente pela oxidação do monômero anilina com persulfato de amônio (NH 4 ) 2 S 2 O 8, em uma solução 1,0 M de ácido clorídrico (HCl) e cloreto de sódio (NaCl). A solução ácida de anilina foi mantida sob agitação constante, enquanto que a solução de persulfato de amônio foi adicionada gradualmente, através de um funil de adição. Após completar a adição do oxidante, deixou-se o sistema reacional sob agitação mecânica durante 2 h. Em seguida, filtrou-se a solução e lavou-se o precipitado com água destilada e etanol. Dopagem da PAni-BE A dopagem da PAni-BE com o ácido protônico funcionalizado (APF), dodecilbenzenosulfônico (DBSA) foi realizada pelo método de solução. Os cálculos da massa e concentração dos reagentes para esta dopagem foram feitos considerando-se a proporção de uma unidade molar de PAni-BE para duas do ácido DBSA PAni(DBSA) 2. A PAni-BE foi adicionada em uma solução aquosa 1,0 M de DBSA e deixada sob agitação constante durante 24 h. A mistura foi filtrada, lavada com água e com uma solução água/álcool etílico (50% v/v) e seca em estufa (a 60 o C) até massa constante, obtendo-se a PAni(DBSA) 2 -s. Preparação do sistema silicone/pani Para a obtenção do sistema PAni/silicone, o polímero condutor PAni foi secado em estufa a vácuo, a 60ºC, por 1h, em seguida, foi colocado para resfriar até a temperatura ambiente. Em seguida, a PAni foi macerada em almofariz e misturada ao silicone até obter-se uma mistura homogênea para, então, acrescentar o catalisador. As amostras obtidas foram preparadas com 20% em massa de PAni, com e sem temperatura de pós-cura mantendo-se a espessura constante em 2,8 ± 0,1 mm. 2 Ferro Carbonila

5 Como centro absorvedor magnético foi utilizado pó de ferro carbonila, e como matriz polimérica, o mesmo silicone bicomponente empregado na obtenção do MARE dielétrico. O aditivo magnético foi misturado à matriz polimérica de siliconeamostras foram preparadas variando-se a concentração de ferro carbonila em 65% e 70% em massa, respectivamente, mantendo-se a espessura constante em 2,8 ± 0,1 mm. 3 Caracterização Eletromagnética O método de caracterização eletromagnética adotado foi baseado em medidas de refletividade em guia de ondas, posicionando o material a ser caracterizado em uma cavidade de guia de ondas, utilizando um acoplador direcional na faixa de freqüências entre 8,0 12,0 GHz, marca Hewlett-Packard, modelo X752C, ligado a um analisador de rede escalar HP 8757 A (Hewlett-Packard) e a um gerador de sinais sintetizado 83752A (Agilent), cabos coaxiais de baixas perdas da empresa Adam Russel e Suhner, adaptadores coaxiais de baixas perdas da empresa Suhner, e um microcomputador PC, com interface GPIB (General Purpose Interface Bus). O material de referência, 100% refletor, é uma placa metálica de alumínio. A Figura 1 apresenta a configuração experimental simplificada para as medidas de refletividade. Figura 1. Configuração experimental simplificada para as medidas de perda por reflexão. Resultados e Discussão O gráfico da Figura 2 mostra as curvas de refletividade em função da freqüência dos corposde-prova de MARE à base de ferro carbonila e polianilina com espessura de 2,8 mm, caracterizados pelo uso de medidas de refletividade em guia de ondas. Para a amostra contendo 70% em massa de ferro carbonila verifica-se uma atenuação da radiação incidente de, aproximadamente, -40,0 db, em uma faixa de freqüências estreita (~8,0 GHz), o que corresponde a uma atenuação de 99,99% da energia incidente absorvida, de acordo com a Tabela 1. Já, para a amostra contendo 65%, em massa, de ferro carbonila, verifica-se

6 uma atenuação, em uma faixa de freqüências banda larga, de aproximadamente -22,0 db, ou seja, mais do que 99,0 % de atenuação da radiação incidente. Lembrando que, em ambos os casos as amostras possuem 2,8 mm de espessura. A principal vantagem da amostra com 65% em massa de ferro carbonila, em relação à amostra com 70%, é o fato desta apresentar um comportamento de absorvedor banda larga, ou seja, atenua a radiação incidente na faixa de 9,5 11,5 GHz. No caso do MARE à base de polímero condutor (polianilina), a amostra tratada com temperatura de pós-cura apresenta um valor de refletividade de, aproximadamente, -35,0 db (10,0 GHz), ou seja, mais do que 99,9% de atenuação da radiação incidente, e para a amostra sem tratamento térmico de pós-cura, o valor de refletividade é de -30,0 db (9,0 GHz). Este comportamento deve-se ao fato da matriz de silicone, com diferentes graus de cura, apresentar diferentes permissividades dielétricas, alterando, com isto, os comportamentos dos absorvedores obtidos Refletividade (db) Referência Ferro Carbonila (70%) PAni dopada (20%) com Temp pós cura PAni dopada (20%) sem Temp pós cura Ferro Carbonila (65%) Freqüência (GHz) Figura 2. Curvas de refletividade na faixa de microondas de MARE com centro absorvedor dielétrico e magnético (% em massa). Tabela 1 Relação entre Atenuação da Radiação (refletividade) e porcentagem da energia absorvida 4. Atenuação de % da Energia Refletividade (db) Absorvida 0,0 0,0-3,0 50,0

7 - 10,0 90,0-15,0 96,9-20,0 99,0-30,0 99,9-40,0 99,99 A análise da Figura 2 mostra a sobreposição de curvas de absorvedores magnéticos e dielétricos processados separadamente, mas que, no geral, apresentam comportamento de absorvedores tipo banda larga com significativos níveis de atenuação na faixa de 8,0 a 11,0 GHz. A interpretação destes resultados é a base para o processamento de absorvedores híbridos, pela combinação conjunta de aditivos magnéticos e dielétricos e diferentes parâmetros de processamento, na obtenção de absorvedores sintonizados com a faixa de freqüências de interesse a ser atenuada. A análise da figura mostra, também, que se pode predizer o comportamento do absorvedor híbrido a ser processado. Por exemplo, a combinação das quatro amostras dá subsídios para a obtenção de um absorvedor tipo banda larga na faixa de 8,0 a 11,0 GHz, com atenuação de - 20 db, ou seja, 99% de absorção da radiação incidente. Ou, ainda, a atenuação de - 30 db, (99,9% de absorção), na faixa de 8,0 a 10,0 GHz pela combinação de três das formulações apresentadas. A partir destes resultados pode-se gerenciar a obtenção de absorvedores híbridos, pela combinação de aditivos magnéticos e dielétricos, em uma mesma formulação, na obtenção de absorvedores banda larga e de espessura mais reduzida. Conclusão O presente trabalho mostra o efeito de aditivos magnéticos/dielétricos no comportamento de borrachas absorvedoras de radiação eletromagnética, sendo verificado que através do gerenciamento da combinação dos aditivos é possível obter absorvedores híbridos, ou seja, absorvedores de radiação eletromagnética do tipo banda larga. Tanto a ferro carbonila como a polianilina se mostram eficientes como centros absorvedores de radiação na faixa de microondas. Os resultados das curvas de refletividade ilustram a dependência desta tecnologia com o tipo de aditivo e da concentração utilizados. Agradecimentos Os autores agradecem ao Comando da Aeronáutica, à FINEP (Projeto: 1757/2003) e ao CNPq (Processo: / ) pelo apoio financeiro.

8 Referências Bibliográficas 1. Naito, Y. Ferrite Electromagnetic Wave Absorbers. Journal de physique IV, Colloque C1, Supplément au Journal de Physique III, C1-405 C1-408, Cohn, Z., Daly, J. and Parker, C. Advanced Ferrite Materials for Anechoic Chambers. Ceramic Transactions, vol. 47, p , 3. Knott, E., Shaeffer, J. and Tuley, M. Radar Cross Section, 2ª Ed., Artech House, Inc., International Encyclopedia of Composites. Ed.; VCH Publishers, 6, Biscaro, R. S. Tese de Doutorado, Instituto Tecnológico da Aeronáutica, São José dos Campos, Folgueiras, L. C.; Faez, R.; Rezende, M. C. X Simpósio da Sociedade Brasileira de Microondas e Optoeletrônica, Recife, Gama, A. M., Moura, A., Rezende, M. C. Desenvolvimento de materiais absorvedores de radiação eletromagnética à base de ferro carbonila e silicone. VIII Simpósio de Guerra Eletrônica, São José dos Campos, 2006.