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
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
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
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
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
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
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. 2009 [3] BHAME, S. D.; JOY, P. A. Magnetic and magnetostrictive properties of manganese substituted cobalt ferrite. Journal of Applied Physics, v.40, p.3263-3267, 2007 [4] O HANDLEY, R. C. Modern Magnetic Materials Principles and Applications.NewYork: John Wiley & Sons, 2000. [5] DU TRÉMOLET DE LACHEISSERIE, E; GIGNOUX, D.; SCHLENKER, M. (Editores). Magnestism, Fundamentals. New York: Springer, 2005. [6] CLARKE, R. N. et al. A guide to the characterisation of dielectric materials at RF and microwave frequencies. 1ª.ed. Wetherby: Crown, 2003. 179 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, 2007. [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 102-062 579
SYNTHESIS AND COMPLEX PERMITTIVITY OF THE COMPOSITE Co-Cu FERRITE AND CEMENT Currently, there is a concernregarding the safety andstructuralhealthmonitoringof concrete structures. As a result, the developmentof thefields of electronics, information and development ofsensor technologymakes itpossible to equipthese structureswithan effective system, which enablestraffic controlin order to minimizethe mechanical stressesto whichthe armedconcrete structuresareplaced. Theobjective of this workis to developa composite(portlandcement andcobalt ferrite) and analyzetheir complexpermittivityin the frequency rangeof40hz to60mhz. Theferritewas synthesizedby thesolid state reactionprocess.inpreparationof the compositepowder offerritecocuand Portlandcementat concentrationsof 0%, 10%, 30% and 50% by weightdcu0.7co0.3fe2o4were used.thecomposites presentedforthe real part ofpermittivitythe same behaviorforall composites Keywords: complexpermittivity, composite of cement and ferrite, sensors. 580