SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO COMPOSTO FERRITA E CIMENTO PORTLAND PARA APLICAÇÃO EM SENSORES NA ENGENHARIA CIVIL.

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1 SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO ELETROMAGNÉTICA NO COMPOSTO FERRITA E CIMENTO PORTLAND PARA APLICAÇÃO EM SENSORES NA ENGENHARIA CIVIL. U.H.C. dos Santos [1], E.S. Junior [1], M.F. Miranda [1], T. R. Justino [1], M.F.O. Barreto [1], A.L da Silva [1], F.F. de Araujo [2],[3], A. C. C.Migliano [2],[3], M. R. F. Gontijo [1],[2],[3] [1] ] Av. Paraná, 3001, Jardim Belvedere, Divinópolis, Minas Gerais [1] udopta@hotmail.com [1] Instituto de Ensino Superior e Pesquisa INESP/UEMG/FUNEDI [2] Instituto Tecnológico de Aeronáutica ITA [3] Instituto de Estudos Avançados - IEAv 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. Devido a essa preocupação nota-se um constante crescimento nos estudos relacionados ao desenvolvimento de estruturas inteligentes na Engenharia Civil, que viabiliza o controle de tráfego de forma a minimizar os esforços mecânicos aos quais as estruturas armadas de concreto estão sujeitas. Palavras-chave: ferritas, cimento Portland, permissividade. 558

2 INTRODUÇÃO Atualmente, existe uma constante preocupação com relação à segurança das estruturas de concreto, como pontes, prédio e estádios. Desastres como terremotos, enchentes, vento forte e até em reformas em apartamentos e casas fazem as pessoas reconhecerem que o monitoramento da saúde estrutural é extremamente importante [1]. Além disso, o desenvolvimento das áreas de eletrônica, tecnologia de informática desenvolvimento de sensores torna possível equipar essas estruturas com um sistema eficaz. Devido a essa crescente preocupação nota-se um constante crescimento nos estudos relacionados ao desenvolvimento de estruturas inteligentes na Engenharia Civil, ao monitoramento destas estruturas e ao controle ativo das mesmas, tema atual e de extrema relevância, que viabiliza o controle de tráfego de forma a minimizar os esforços mecânicos aos quais as estruturas armadas de concreto estão sujeitas [1,2]. O cimento Portland é um produto constituído por oxido hidráulicos, cal (CaO), sílica (SiO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ) e oxido de ferro (Fe 2 O 4 ) [3]. No Brasil são produzidos vários tipos de cimento, oficialmente normalizados, classificados de tipo 1 a tipo 5 dentre estes o cimento Portland tipo 5 (CP-V) é estipulado pela NBR 5733, destinado ao emprego onde a resistência ao ataque de águas sulfatadas é importante, ou quando se é necessário uma alta resistência inicial. Nesse produto a proporção do aluminato tricálcio (3CaO. Al 2 O 3 ) é substancialmente reduzida [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. 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 [4]. O conhecimento da permeabilidade magnética e da permissividade elétrica complexas desses materiais usados em sensores, sendo o foco dessa pesquisa. As ferritas são materiais cerâmicos com propriedades magnéticas, que devido às possíveis combinações de composições químicas e estruturais, podem ser utilizadas em várias aplicações específicas, tais como RAMs. Para cada tipo de 559

3 estrutura cristalina (espinélio, granada e hexagonal) o ajuste das propriedades magnéticas possibilita a absorção de microondas em diferentes freqüências [5]. Embora na literatura [6], sejam encontrados trabalhos sobre os efeitos de alguns aditivos de sinterização nas ferritas de cobalto, não foram encontradas referências a respeito da influência do cimento portland e ferrita. MATERIAIS E MÉTODOS Para a confecção da ferrita foram utilizados Fe 2 O 3, CoO, MnO. As ferritas produzidas possuem fórmula química usual MDFe 2 O 4, onde é M são os íons MnO 2 e D é o íon Co 3 O 4. A estequiometria escolhida foi Mn 0,4 Co 0,6 Fe 2 O 4. Para a confecção do compósito foram utilizados a ferrita e o cimento Portland. O método utilizado para confecção das amostras de Mn 0,4 Co 0,6 Fe 2 O 4 foi o reação de estado sólido. Após a escolha da estequiometria, foram medidas as massas dos óxidos. Em seguida, as amostras foram moídas em um almofariz de cerâmica durante 2 horas. Após a moagem, as amostras foram pré-sinterizadas a 600 C, durante 4 horas, com taxa de aquecimento de 200 C/hora. Em seguida se realizou a sinterização das amostras a 1200 C por 2 horas. O cimento e a ferrita foram misturados manualmente na proporção de 10% e 20%, utilizando como ligante a água destilada. A água foi adicionada no compósito até que o mesmo ficasse viscoso a ponto de ser colocado em cima de uma placa de isopor para a posterior cura e fabricação de placas com espessura de 0,2 cm. As confecções dos materiais em estudo serão feitas no laboratório da Funedi UEMG. As amostras após o tempo de cura e lixamento para retirada das imperfeições são mostradas na Fig. 1. Para a caracterização da permeabilidade magnética e da permissividade elétrica complexas em baixa frequência (40Hz a 110MHz) será utilizado o Método da Impedância em uma porta, utilizando o Analisador de Impedância 4294A do Laboratório de Sistemas Eletromagnéticos da Divisão de Física Aplicada do Instituto de Estudos Avançados-IEAv/DCTA. A caracterização é mostrada na Fig. 2: 560

4 FIG. 1: Amostras confeccionadas FIG. 2: Processo de análise RESULTADO DISCUSSÕES A permissividade elétrica complexa (Ɛ) está relacionada à relaxação dielétrica, que se refere á capacidade de polarização do dipolos elétricos no material como resposta a incidência de um campo eletromagnético alternado. Por sua vez a permeabilidade complexa (µ) é a propriedade intrínsceca do material que representa a razão da indução magnética quando existe a incidência de um campo eletromagnético. O comportamento da permissividade elétrica complexa e da permeabilidade complexa nas amostras com a composição Cu 0,3 Co 0,7 Fe 2 O 4 é exibido no Graf. 1: GRAF. 1a: Compósito com ferrita 9% GRAF. 2b: Compósito com ferrita 17% A amostra com cimento e 9% de Cu 0,3 Co 0,7 Fe 2 O 4 apresentou um comportamento de convergência da parte real com a parte imaginária, apresentando um comportamento constante da parte real com aproximadamente 7,6 entre 80 e 110 khz. Identificado um comportamento como material de grande perda elétrica. Por sua vez a amostra de cimento com 17% Cu 0,3 Co 0,7 Fe 2 O 4 apresentou um 561

5 comportamento constante da parte real com aproximadamente 14,8 entre 79 e 103 khz e um comportamento típico de baixas perdas. O comportamento da permissividade elétrica complexa e da permeabilidade complexa nas amostras com a composição Cu 0,5 Co 0,5 Fe 2 O 4 é exibido no Graf. 2: GRAF. 2a: Compósito com ferrita 9% GRAF. 2b: Compósito com ferrita 30% A amostra com cimento e 9% de Cu 0,5 Co 0,5 Fe 2 O 4 apresentou um comportamento de convergência da parte real com a parte imaginária, apresentando um comportamento constante da parte real com aproximadamente 12,1 entre 60 e 90 khz. Identificado um comportamento típico de grandes perdas elétricas. Por sua vez a amostra de cimento com 17% Cu 0,5 Co 0,5 Fe 2 O 4 apresentou um comportamento constante da parte real com aproximadamente 14,7 entre 77 khz e 105 khz e um comportamento de convergência e apresentando um comportamento típico de material de que possui baixas perdas. Nas amostras do compósito de CP V com ferrita, a permeabilidade apresentada demonstra um comportamento constante e próximo a partir da freqüência de 1MHz. Conclusão Os compostos demonstraram um perfil semelhante nas diferentes porcentagens da ferrita para a permeabilidade magnética complexa. As variações da estequiometria e as porcentagens usadas obtiveram um comportamento constante da permissividade na faixa de freqüência 80 khz a 110 khz. O Composto com CPV Cu 0,5 Co 0,5 Fe 2 O 4 e 17% apresentou a parte real da permissividade constante em um 562

6 maior faixa de frequência. Todos os compostos apresentaram características de material de baixa perda. REFERÊNCIAS (1) R. L. Camilo; Síntese e caracterização de nanopartículas magnéticas de ferrita de cobalto recobertas por 3-aminopropiltrietoxissilano para uso como material híbrido em nanotecnologia, Tese de Doutorado, USP, São Paulo, (2) BIEŃKOWSKI, A. Ferrite-type magnetoelastic measuring transducer for force and strain measurements. Patente PL292294, (3) BAUER, Luiz Alfredo Falcão. Materiais de construção: Novos materiais para Construção Civil. 5. ed. Rio de Janeiro: Ltc, (4) HORVART, M. P. Microwave applicatios of soft ferrites. Journal of Magnetismand Magnetic Materials, v , p , junho (5) PAULO, E. G. et al. Compósitos de ferrita de Ni-Zn com policloropreno para utilização como materiais absorvedores de radar para a banda S. Cerâmica, São Paulo, v. 50, n. 314, June Available from < access on 17 Aug (6) SHEN, B. ; YANG, X.; LI, Z. A cement-based piezoelectric sensor for civil engineering structure. Materials and Structures, v.39, p ,

7 SYNTHESIS AND CHARACTERIZATION ELECTROMAGNETIC FERRITE IN COMPOUND AND PORTLAND CEMENT FOR APPLICATION IN SENSORS IN CIVIL ENGINEERING. ABSTRACT Currently, there is a concern regarding the safety and structural health monitoring of concrete structures. As a result, the development of the fields of electronics, information and development of sensor technology makes it possible to equip these structures with an effective system, which enables traffic control in order to minimize the mechanical stresses to which the armed concrete structures are subject. Due to this concern there has been a steady growth in development-related smart structures in Civil Engineering, which enables traffic control in order to minimize the mechanical stresses to which the armed concrete structures are subjected. Key-words: ferrite, Portland cement, permittivity. 564