SÍNTESE E PERMISSIVIDADE ELÉTRICA COMPLEXA DO COMPÓSITO FERRITA Co-Cu E CIMENTO
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1 SÍNTESE E PERMISSIVIDADE ELÉTRICA COMPLEXA DO COMPÓSITO FERRITA Co-Cu E CIMENTO E.S. Junior [1], M.F. Miranda [1], L. S. Netto [1], M. R. F. Gontijo [1,2], F. F. Araujo [2], A. L. da Silva [1]. [1] Av. Paraná, 3001, Jardim Belvedere, Divinópolis, Minas Gerais [1] enzioseverino@gmail.com [1] UNIVERSIDADE DO ESTADO DE MINAS GERAIS UEMG [2] INSTITUTO TECNOLÓGICO DE AERONÁUTICA - ITA RESUMO Atualmente, existe uma preocupação com relação à segurança e o monitoramento da saúde estrutural das estruturas de concreto. Em função disso, o desenvolvimento das áreas de eletrônica, tecnologia de informação e desenvolvimento de sensores torna possível equipar essas estruturas com um sistema eficaz, o que viabiliza o controle de tráfego de forma a minimizar os esforços mecânicos aos quais as estruturas armadas de concreto estão sujeitas. O objetivo deste trabalho é desenvolver um compósito (cimento portland e ferrita de cobalto) e analisar sua permissividade elétrica complexa na faixa de frequência de 40Hz a 60MHz. A ferrita foi sintetizada pelo processo de reação do estado sólido. Na confecção do compósito foram utilizados os pós de ferritacocu e cimento Portland com concentrações de 0%, 10%, 30% e 50% em massa dcu 0.7 Co 0.3 Fe 2 O 4. Os compósitos apresentaram para a parte real da permissividade o mesmo comportamento para todos os compósitos Palavras chave: Permissividade elétrica complexa, compósito de cimento e ferrita, sensores. 573
2 INTRODUÇÃO As ferritas que possuem uma estrutura espinélio têm um papel importante nas aplicações tecnológicas devido a suas propriedades magnéticas, resistividade elétrica elevada e baixas perdas por correntes parasitas. Essas cerâmicas são usadas extensivamente em absorvedores de microondas, em sensores eletromagnéticos, em transformadores de corrente pulsada, em lentes magnéticas e biossensores. O conhecimento da distribuição entre os cátions nas sub-redes são essenciais quando se pretende compreender as propriedades eletromagnéticas de uma ferrita do tipo espinélio. As propriedades físicas e químicas são resultantes da habilidade de distribuir os cátions entre os sítios tetraédricos (A) e os sítios octaédricos (B) (1-3) A permeabilidade magnética complexa (µ) é uma propriedade intrínseca do material que representa a razão da indução magnética quando existe a incidência de um campo eletromagnético (4). A permissividade elétrica complexa (ε) está relacionada à relaxação dielétrica, que se refere à capacidade de polarização dos dipolos elétricos no material como resposta a incidência de um campo eletromagnético alternado (5,6). O objetivo deste trabalho é desenvolver um compósito (cimentoportland eferritacocu) e analisar o sua permissividade elétrica complexa na faixa de frequência de 40Hz a 60MHz. MATERIAIS E MÉTODOS Confecção das ferritas O método utilizado para confecção dacu 0.7 Co 0.3 Fe 2 O 4 foi o reação do estado sólido. As amostras foram pré-sinterizadas a 600 C, durante 4 horas e sinterizadas a 1200 C por 2 horas Confecção do compósito Os compósitos foram confeccionados com 10g cimento sem ferrita, 9g de cimento com 0,9g de ferrita; 7,6g de cimento com 2,3g de ferrita e 6,6g de cimento com 3,3g de ferrita. O cimento e a ferrita foram misturados manualmente utilizando como ligante a água destilada. O compósito ficou viscoso a ponto de ser colocado em cima de uma placa de isopor para a 574
3 posterior cura e fabricação de placas com espessura de 2mm como apresentado na Fig.1.Para a extração da permissividade complexa utilizou-se a técnica de impedância complexa [6-8]. Para as medidas de permeabilidade e permissividade em baixa frequência (40Hz a 60MHz) utilizou-se o Analisador de Impedância modelo 4294A da Agilent. A análise de microscopia ótica foi feita utilizando o microscópio Axioimager A2M da Zeiss. FIG. 1-Confecção das placas com espessura de 2mm. RESULTADOS E DISCUSSÕES A Fig. 2 apresenta o comportamento da permissividade elétrica complexa em função da frequência para o cimento sem a dopagem de ferrita. As Fig.3, 4 e 5 mostram o comportamento da permissividade elétrica complexa em função nas proporções 10%, 30da frequência para o compósito cimento e Cu 0.7 Co 0.3 Fe 2 O 4 % e 50% respectivamente. 575
4 FIG.2 - Comportamento da permissividade complexa do cimento sem a dopagem de ferrita FIG. 3 - Comportamento da permissividade complexa do cimento com dopagem de 10% de ferrita A dopagem de 10% de ferrita não foi suficiente para mudam o comportamento da permissividade elétrica complexa do cimento. FIG. 4 - Comportamento da permissividade complexa do cimento com dopagem de 30% de ferrita. FIG. 5 - Comportamento da permissividade complexa do cimento com dopagem de 50% de ferrita Por meio da dopagem de 30% a parte real ε da permissividade permaneceu praticamente constante e a parte imaginária ε apresenta um material de baixas perdas. 576
5 A parte real ε da permissividade apresenta uma convergência próxima de 5 nas frequências de 40MHz até 60MHz para o cimento sem a dopagem e o compósito cimento com 10% de Cu 0.7 Co 0.3 Fe 2 O 4. Os compósitos cimento com 30% e 50% apresentaram uma convergência próxima de 4 nas frequências de 40MHz até 60MHz. A parte imaginária ε do compósito com 30% possui baixa perda para toda faixa de frequência. A Fig.6 apresenta uma a análise de microscopia ótica com 50μm de resolução para a amostra de cimento sem a dopagem de ferrita. As Fig. 7,8 e 9 apresentam as análises de microscopia ótica para as amostras de cimento com 10%, 20% e 30% de ferrita, respectivamente. FIG. 6 -Análise de microscopia ótica com 50μm de resolução para a amostra de cimento sem a dopagem de ferrita. FIG. 7 - Análise de microscopia ótica com 50μm de resolução para a amostra de cimento com dopagem de 10% de ferrita. 577
6 FIG. 8 - Análise de microscopia ótica com 50μm de resolução para a amostra de cimento com dopagem de 30% de ferrita. FIG. 9 - Análise de microscopia ótica com 50μm de resolução para a amostra de cimento com dopagem de 50% de ferrita. Essas análises de microscopia não são suficientes para estimar a distribuição das partículas de ferrita no compósito, porém foi observado que na medida em que a concentração aumenta, aparecem também os aglomerados. Os aglomerados devem-se a interação eletromagnética entre as partículas de ferrita. CONCLUSÕES Os compósitos apresentaram para a parte real da permissividade o mesmo comportamento para todos os compósitos. O compósito com 30% apresentou 578
7 uma variação de convergência menor e estabilizando com ε =4. A parte real da permissividade está relacionada com a energia armazenada na amostra. O compósito com 30% apresentou para a parte imaginária ε =0 indicando ser um material de baixa perda. A parte imaginária está relacionada com a energia dissipada na amostra. Os aglomerados observados na microscopia ótica devem-se a interação eletromagnética entre as partículas de ferrita. REFERÊNCIAS [1] LEMOS, L.V. PROPRIEDADES ELETROMAGNÉTICAS DE AMOSTRAS POLICRISTALINAS DE CoFe2O4 NA FAIXA DE RF E MICROONDAS. Engenharia Aeronáutica e Mecânica- Instituto Tecnológico de Aeronáutica. São José dos Campos.Nov.2010 [2] DE SÁ, F. G.Síntese e caracterização de compósitos de cimento portlandmodificados com PZT.Instituto de Ciências Exatas - Universidade Federal de Itajubá.Março [3] BHAME, S. D.; JOY, P. A. Magnetic and magnetostrictive properties of manganese substituted cobalt ferrite. Journal of Applied Physics, v.40, p , 2007 [4] O HANDLEY, R. C. Modern Magnetic Materials Principles and Applications.NewYork: John Wiley & Sons, [5] DU TRÉMOLET DE LACHEISSERIE, E; GIGNOUX, D.; SCHLENKER, M. (Editores). Magnestism, Fundamentals. New York: Springer, [6] CLARKE, R. N. et al. A guide to the characterisation of dielectric materials at RF and microwave frequencies. 1ª.ed. Wetherby: Crown, p. [7] CÔRTES, A. L., MIGLIANO, A. C. C., BRITO, V. L. O., ORLANDO, A. J. F. Practical aspects of the characterization of ferrite absorber using one-port device at RF frequencies, PROGRESS IN ELECTROMAGNETICS RESEACH SYMPOSIUM, vol. 1, no. March, p. 1-5, [8] GONTIJO, M. R. F., DE ARAUJO, F. F., Hirata, A. K. e MIGLIANO, A. C. C.Validação da técnica de impedância em porta-amostra semicilíndrico para medidas de permeabilidade e permissividade complexas em rf e micro-ondas. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS, XX, 2012, Joinville SC. Anais Metallum, 2012.n
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