A INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE CURIE DE FERRITAS DE Mn-Zn NA ABSORÇÃO DE ENERGIA NA FAIXA DE MICROONDAS.

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1 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 1 A INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DE CURIE DE FERRITAS DE Mn-Zn NA ABSORÇÃO DE ENERGIA NA FAIXA DE MICROONDAS. A. M. Gama 1, I. M. Martin 2, M. C.. Rezende 1 Praça. Marechal-do-Ar Eduardo Gomes, 50 Vila das Acácias CEP São José dos Campos SP - adriana.gama@iae.cta.br 1 Centro Técnico Aeroespacial IAE Divisão de Materiais 2 Universidade de Taubaté - Departamento de Matemática e Física RESUMO As ferritas de Mn-Zn são cerâmicas magnéticas do tipo espinélio e são muito utilizadas em aplicações magnéticas onde é necessária a excitação em freqüências superiores a dezenas de milhares de Hertz. A temperatura de Curie é uma das propriedades magnéticas mais importantes desses materiais, sendo correlacionada com diferentes aplicações das ferritas. O objetivo deste trabalho é analisar a influência da temperatura de Curie de ferritas de Mn-Zn na absorção total de energia na faixa de microondas, na banda X. As amostras foram preparadas pelo método cerâmico convencional e caracterizadas por difratometria de raios X, temperatura de Curie pela derivada de susceptibilidade e medidas de refletividade na faixa de freqüências de 8 a 12 GHz. Os resultados mostram que o aumento na temperatura de Curie acarreta em um aumento da absorção total de energia para todas as freqüências dentro do intervalo considerado. Palavras-Chaves: ferritas, cerâmica magnética, temperatura de Curie, refletividade, absorção de microondas.

2 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 2 INTRODUÇÃO A denominação ferrita é aplicável a materiais com estruturas cristalinas do tipo espinélio, hexagonal ou granada (garnet). A ferrita é um material cerâmico que contém como principal constituinte o átomo de ferro. Partindo-se da magnetita (Fe 2+ O.Fe 3+ 2 O 3 ), substituem-se os íons Fe 2+ por íons metálicos divalentes. A magnetita é um dos exemplos mais antigos de ferritas, de origem natural, embora essa tenha pequena aplicação comercial. As ferritas classificadas como simples possuem a fórmula Me 2+ Fe 3+ 2 O 4, onde Me 2+ é um íon metálico divalente tal como Fe 2+, Mn 2+ ou Zn 2+. Já nas ferritas mistas, (Me) pode representar uma combinação de dois ou mais íons metálicos como, por exemplo, a ferrita de manganês e zinco representada por Mn X Zn Y Fe 3-X-Y O 4. As ferritas de Mn-Zn são do tipo espinélio e são produzidas pela reação entre a hematita (α-fe 2 O 3 ) com óxidos metálicos ou carbonatos, tais como: MnCO 3, MnO 2, ZnO e outros. Os primeiros produtos comerciais de ferrita foram desenvolvidos a partir de 1945 por Kato e Takesi (1), sabendo-se que o enfoque do desenvolvimento desse material tem sido motivado para a fabricação de componentes de dimensões reduzidas e de grande confiabilidade. No ramo de cerâmicas magnéticas, as ferritas do tipo Mn x Zn y Fe 3-x-y O 4+δ são as mais importantes comercialmente, devido à sua alta saturação magnética e possibilidade de aplicação em altas freqüências com baixas perdas magnéticas (1). A temperatura de Curie é uma das propriedades magnéticas mais importantes desses materiais, sempre mencionada em todos os catálogos comerciais e considerada no desenvolvimento de produtos. A importância de conhecer essa propriedade reside no fato dessa estabelecer um limite máximo de temperatura de serviço, sabendo-se que quanto menor for a temperatura de Curie menor será o valor da constante de anisotropia magnetocristalina, K 1, à uma dada temperatura, o que leva a um aumento da permeabilidade magnética do material (2). Por isso, a temperatura de Curie é um indicador sensível de variações de composição química e, conseqüentemente, de propriedades magnéticas encontrados nesses materiais. Dentro deste contexto, o presente trabalho tem como objetivo mostrar a influência da temperatura de Curie de ferritas de Mn-Zn na absorção total de energia na faixa de microondas (8 12GHz).

3 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 3 MATERIAIS E MÉTODOS Neste trabalho, a obtenção das ferritas seguiu os parâmetros do método cerâmico convencional, que consiste na preparação dos pós, compactação em matriz apropriada e sinterização (3). Foram preparadas dez amostras denominadas de A (1 5) e B (1 5), onde A e B são amostras com teores de 25% e 18% molar de óxido de zinco, respectivamente, com fórmula química (Mn+Zn) 1-X Fe 2+X O 4+δ para x = -0,1; 0; 0,05; 0,1 e 0,2. A caracterização e identificação das fases principais e das fases secundárias presentes nas amostras foram realizadas pelo uso de um difratômetro de raios X da marca Rigaku RINT 2000, radiação K-Alfa1 do cobre, com intensidade de corrente de 20mA e tensão 40kV. O princípio físico desta técnica baseia-se na lei de difração de Bragg. A temperatura de Curie foi determinada por Análise Termo - Magnética (ATM) à uma razão de aquecimento de 0,5 0 C/s em atmosfera de argônio. O método de caracterização eletromagnética adotado foi baseado na técnica de 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 12GHz, marca Hewlett-Packard, modelo X752C, ligado a um analisador de espectro série (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). RESULTADOS E DISCUSSÃO A difratometria de raios X (DRX) foi realizada para confirmar a formação das fases ferríticas de manganês e zinco. A Figura 1 mostra o resultado de DRX da amostra A1, onde observa-se os picos referentes à formação da ferrita de manganês e zinco.

4 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 4 Ferrite Mn-Zn Theta [deg.] Figura 1 Difratograma de raios X da amostra A1. A Tabela 1 apresenta os valores de 2 theta e da intensidade relativa característicos da fase cúbica da ferrita de Mn-Zn. Para as demais amostras foram obtidos resultados semelhantes, ressaltando-se apenas que ocorre um deslocamento dos picos no intervalo de 2 theta de 60 0 a 90 0, devido à variação da composição química das amostras estudadas (4). Tabela I Picos característicos da formação da fase Mn-Zn (5). 2 Theta (2θ) Intensidade Relativa (I/I 0 ) 35, , , , , ,7 18 As Figuras 2 a 6 mostram a variação da temperatura de Curie com a absorção da energia total para as ferritas de Mn-Zn. As curvas rosa e azul apresentam essa variação para as ferritas com 18% e 25% de fração molar de óxido de zinco, respectivamente. Em todas as curvas (Figuras 2 6) é observado que as amostras de ferritas com menor quantidade de óxido de zinco apresentam valores mais elevados de temperatura de Curie (4). Na Figura 2 observa-se que as amostras com temperatura de Curie superior a 430K apresentam uma maior quantidade de energia absorvida. Vale ressaltar que, a amostra A5 mostra o maior valor de energia absorvida (14%) para uma temperatura de Curie em torno de 460K, já a amostra B5 apresenta um valor de temperatura de Curie mais elevado (512K) e um valor de energia absorvida total em torno de 7%, na freqüência incidente de 8GHz. Com isso, observa-se que cada amostra de composição química própria apresenta propriedades magnéticas específicas facilitando, assim, a escolha da composição para determinada aplicação.

5 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR Temperatura de Curie (K) B1 A1 A2 A3 B5 A4 B2 B4 B3 Linear (18% ZnO) Linear (25% ZnO) A Energia Absorvida Total (%) Figura 2 Correlação entre a temperatura de Curie e a absorção de energia para ferritas com 18% e 25% de fração molar de ZnO, na freqüência de 8GHz. Na Figura 3 os valores de refletividade da ferrita foram obtidos na freqüência de 9GHz. As amostras com temperatura de Curie maior que 440K apresentam uma maior quantidade de energia absorvida. Vale ressaltar que, a amostra A5 apresenta o melhor valor de refletividade (7,5%) para uma temperatura de Curie em torno de 460K, já a amostra B5 apresenta um valor de temperatura de Curie mais elevado (512K) e um valor de energia absorvida total em torno de 6%. Embora a diferença do valor de refletividade das amostras A5 e B5 é de apenas 1,5% a variação no valor da temperatura de Curie é de 52K, isso mostra a importância da aplicação e da escolha da composição mais adequada à aplicação final.

6 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 6 Temperatura de Curie (K) A1 B1 A2 A3 A4 B4 B2 B3 B5 Linear (18% ZnO) Linear (25% ZnO) A Energia Absorvida Total (%) Figura 3 Correlação entre a temperatura de Curie e a absorção de energia para ferritas com 18% e 25% de fração molar de ZnO, na freqüência de 9GHz. Na Figura 4, os valores de refletividade da ferrita foram obtidos na freqüência de 10GHz. As amostras com temperatura de Curie superior a 440K apresentam uma maior quantidade de energia absorvida. Vale ressaltar que, a amostra A5 apresenta um valor de energia absorvida total em torno de 10% e um valor de temperatura de Curie em torno de 460K. Já a amostra B5 apresenta quase o mesmo valor de energia absorvida total (9,8%), porém um valor de temperatura de Curie mais elevado (512K). Temperatura de Curie (K) A1 B1 A2 A3 A4 B4 B2 B3 B5 A5 Linear (18% ZnO) Linear (25% ZnO) Energia Absorvida Total (%) 13 Figura 4 Correlação entre a temperatura de Curie e a absorção de energia para ferritas com 18% e 25% de fração molar de ZnO, na freqüência de 10GHz.

7 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 7 Na Figura 5 observa-se que a amostra B5 apresenta os melhores valores de energia absorvida total (20%) e de temperatura de Curie (512K), na freqüência de 11GHz. Vale ressaltar que, embora as amostras A3 e B4 apresentem um valor bem próximo de energia absorvida total (6%), a amostra B4 apresenta um valor de temperatura de Curie maior (490K). Temperatura de Curie (K) B1 A1 A4 A2 B4 B3 B2 A3 A5 B5 Linear (18% ZnO) Linear (25% ZnO) Energia Absorvida Total (%) Figura 5 Correlação entre a temperatura de Curie e a absorção de energia para ferritas com 18% e 25% de fração molar de ZnO, na freqüência de 11GHz. Na Figura 6, na freqüência de 12GHz, observa-se que a amostra B5 apresenta os melhores valores de energia absorvida total (37%) e de temperatura de Curie (512K).

8 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR B4 Linear (18% ZnO) Linear (25% ZnO) B5 Temperatura de Curie (K) B1 A1 B3 B2 A4 A2 A5 A Energia Absorvida Total (%) Figura 6 Correlação entre a temperatura de Curie e a absorção de energia para ferritas com 18% e 25% de fração molar de ZnO, na freqüência de 12GHz. O coeficiente de correlação linear (coeficiente de Pearson, r) foi analisado para as curvas de temperatura de Curie versus energia absorvida total das Figuras 2 6. A Tabela II apresenta os coeficientes obtidos r i para as curvas citadas nos diferentes valores de freqüência estudados (i). Tabela II Coeficiente de correlação r i. Freqüências i (GHz) Coeficiente r i (Pearson) 25% ZnO 18% ZnO 8 Superior a 77% 0,950 0,771 9 Superior a 83% 0,956 0, Superior a 87% 0,970 0, Superior a 83% 0,787 0, Superior a 75% 0,757 0,750 A análise da Tabela II mostra que a correlação possível entre a temperatura de Curie e a energia absorvida total é significativa em todas as freqüências medidas, pois o coeficiente de Pearson atinge valores superiores a 75% (6).

9 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 9 CONCLUSÕES Foram efetuadas medidas da absorção total de energia para ferritas de Mn-Zn, variando-se a percentagem de óxido de zinco nas referidas amostras. Foi verificado que a energia absorvida é função da freqüência da onda eletromagnética incidente e da temperatura de Curie da ferrita. Os melhores valores de absorção aconteceram em freqüências mais altas (~12GHz) e temperatura de Curie de aproximadamente 500K, com valores de absorção em torno de 36%. A dispersão dos pontos medidos no diagrama de temperatura de Curie com a energia total absorvida é superior a 75%, indicando assim a validade desta observação experimental. Este estudo é importante no processo de obtenção de ferritas de microondas com características de absorção de radiação, para aplicações eletroeletrônicas e de uso aeronáutico. Para um melhor entendimento dos resultados estão sendo realizado estudos complementares, correlacionando a composição química das ferritas processadas com a absorção total de energia. AGRADECIMENTOS Este trabalho foi apoiado em parte pelo Ministério da Defesa, Brasil, e CNPq (Processos: /2003-6; /03-6; /2003-9). REFERÊNCIAS 1. Y. Kato, T. Takei, Japan Patent, 98844, 1932, apud T. Ohiai, J. Phys. IV, France, (1997) C C. E. Deshpande, S. K. Date, Indian Journal of Chemistry, Vol. 35 A (1996) M. Sugimoto, J. Am. Ceram. Soc., 82, n. 2, (1999),

10 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR A. M. Gama, Efeito das proporções de Mn/Zn e Fe/Mn + Zn na temperatura de Curie de ferritas do tipo (Mn+Zn) 1-X Fe 2+X O 4 + δ, dissertação de mestrado, USP, Ficha JCPDS International Centre for Diffraction Data número J. L. Devore, Probability and Statistics for Engineering and the Sciences, California Polytechnic State University USA - Second Edition - Cole Publishing Company, Monterey, California 1987.

11 28 de junho a 1º de julho de 2004 Curitiba-PR 11 INFLUENCE OF THE CURIE TEMPERATURE OF MnZn FERRITES ON THE ENERGY ABSORPTION IN THE MICROWAVE RANGE ABSTRACT The MnZn ferrites are magnetic ceramics type spinell and they are largely used in magnetic applications where high frequency excitation is required mostly in the Gigahertz range. The Curie temperature is one of most important magnetic property of these materials. This property is usually correlated with the different applications of the ferrites. The main objective of this work is to perform the analysis of the effect of Curie temperature of MnZn ferrites on the total absorption of the incident energy in the microwave range (x-band). The samples were prepared by conventional ceramic process and after characterized by X-ray diffractometry, Curie temperature determination by derivation of the susceptibility and also by reflectivity measurements in the frequency range of 8-12GHz. The results show that the increase of the Curie temperature leads to an increase of the total absorption of the energy in the considered frequency range. Keywords: ferrites, magnetic ceramic, microwave, Curie temperature.