Resumo - Este documento apresenta uma explicação sobre o comportamento dielétrico de materiais cerâmicos, bem como a exemplificação de alguns desses materiais e suas propriedades.

Palavras-chave—capacitores, materiais cerâmicos, ferroeletricidade.

I. INTRODUÇÃO

As cerâmicas são materiais inorgânicos, não metálicos, formados por metais e não-metais, ligados quimicamente entre si. As composições químicas podem ser muito variadas, desde compostos muito simples, a misturas complexas. As propriedades desses materiais variam muito devido a diferenças de ligação química. A maioria apresenta elevada dureza, grande fragilidade, com tenacidade e ductilidade baixas. São bons isolantes térmicos e elétricos, o que os torna de grande importância para a engenharia. Embora se tenha verificado um grande desenvolvimento dos isolantes à base de materiais orgânicos ao longo dos anos, os isolantes cerâmicos são ainda fundamentais na área da eletrotecnia. À essa capacidade de se opor a passagem de corrente elétrica se dá o nome de dielétrico, e ao submetermos um material isolante a um campo elétrico, não irá ocorrer transferência de cargas, entretanto, estas sofrem um deslocamento; sendo que as negativas migram ao eletrodo positivo e as positivas no sentido oposto, modificando em valores significativos o valor do campo elétrico existente no local. A esse deslocamento e orientação das moléculas se dá o nome de polarização. Esse é o princípio básico do capacitor, então todo dielétrico inserido em um circuito elétrico pode ser considerado como um capacitor, estudaremos a seguir algumas propriedades de materiais cerâmicos usados para produzir capacitores.

II. CAPACITORES CERÂMICOS

A Principal conseqüência das interações citadas na introdução é a de que um material, contendo cargas altamente polarizáveis, quando estiver situado entre placas de um capacitor, influenciará acentuadamente as cargas que estão entre tais placas.

O aumento da capacitância é reflexo direto da constante dielétrica do material. Assim, um material com constante dielétrica relativa k' igual a 10,0 permite ao capacitor desenvolver cargas 10,0 vezes maiores do que no caso em que tal material não esteja presente.

A quantidade de carga Q, em um capacitor para um dado

valor da tensão aplicada, é a soma de duas componentes: Q0, que é a carga que existiria se os eletrodos estivessem separados pelo vácuo, e Qd, que é devida a polarização do dielétrico que na verdade separa os tais eletrodos.

Os capacitores cerâmicos são construídos a partir da deposição ou colagem de um metal bom condutor sobre uma cerâmica de elevada constante dielétrica. Os capacitores de placa são constituídos por uma folha cerâmica em cuja superfície se encontram colados os eletrodos, em geral de cobre ou de prata, enquanto os capacitores multicamada são formados por sucessivas folhas de material cerâmico em cuja superfície se encontra depositado um metal bom condutor, tipicamente o paládio ou a platina. Os capacitores multicamada destinam-se em geral a aplicações de montagem superficial, apresentando por isso dimensões típicas da ordem do milímetro.

Figura 1- Capacitor cerâmico de multicamada

     É comum distinguirem-se duas classes de capacitores

cerâmicos:        (i) capacitores da classe-1, com constantes dielétricas relativamente baixas (algumas unidades a centenas) mas de boa qualidade, designadamente no que respeita à resistência do dielétrico e à dependência da capacitância com a temperatura (utilizados essencialmente na construção de osciladores e filtros);        (ii) capacitores da classe-2, de elevada constante dielétrica (algumas centenas a milhares de unidades) mas de piores características técnicas e utilizados essencialmente em aplicações gerais de acoplamento de sinais.

    Para exemplificar isso temos os capacitores da classe-2, que apresentam valores nominais compreendidos entre os décimos do picofarad e o microfarad, tolerâncias compreendidas entre os -20 e os 80%, e tensões máximas de trabalho entre 63 e 500 V. Por outro lado, os capacitores da classe-1 cobrem a faixa de capacitâncias compreendidas entre 0.47 e 270 pF, suportam tensões máximas típicas de100 ou 500 V, e apresentam tolerâncias relativamente baixas, tipicamente 2%.

III. FERROELETRICIDADE APLICADA EM CAPACITORES

Materiais Cerâmicos Para CapacitoresDaniel Lauer

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Existem alguns cristais assimétricos que apresentam momentos dipolares com valores altos no interior de cada célula. Se além de possuirem esses valores altos, puderem interagir com os dipolos das células adjacentes, surge um comportamento chamado de ferroelétrico, um grupo de materiais que se caracterizam por ter polarização espontânea, eletrônica e iônica combinadas. Seriam estes materiais o sal de Seignette, de Rochelle, o Titanato de Bário (BaTiO3), e outros. Tendo como um dos mais importantes o titanato de bário, descoberto durante a Segunda Guerra Mundial tornou possível a criação de capacitores com constantes dielétricas com ordem de magnitude duas vezes maiores do que antes conhecidas. Isso justamente pela assimetria na molécula do material.

Vemos que em sua molécula existem duas posições possíveis para os íons titânio em relação aos íons oxigênio, porém cada íon titânio pode ocupar uma das duas posições. Admitimos que um produto cerâmico de titanato de bário contenha grãos orientados ao acaso e dentro desses grãos células unitárias com seus dipolos orientados tanto em uma direção quanto em outra. Ao aplicarmos um campo elétrico transversal a esse material obtemos um deslocamento inicial, entretanto um aumento relativamente menor nesse campo serviria para mudar os íons Ti de uma posição para a outra se o dipolo da célula unitária estiver numa direção “incorreta”; provocando com isso uma mudança grande, sobretudo na polarização. Após os dipolos estarem dispostos em uma única direção, o aumento do campo irá aumentar apenas a polarização iônica normal.

Fatores como a temperatura e pressão determinam a fase estrutural dos cristais. No caso do Titanato de Bário, as características ferroelétricas desaparecem acima de 120ºC, consequentemente a polarização espontânea desaparece pois sua estrutura muda de tetragonal para cúbica e quando isso ocorre há somente uma posição de baixa energia para os íons Ti, de tal forma que pode não haver polarização dentro da célula unitária, a não ser o deslocamento normal do íon. À esse valor de temperatura é dado o nome de Temperatura de Curie.

A seguir temos a curva de histerese de um material com comportamento ferroelétrico e sua explicação:

Figura 1 – Curva de Histerese

Inicialmente todas as polarizações espontâneas das celas individuais estarão aleatoriamente distribuídas pelo material, tendo então uma resultante igual a zero. Se um campo for aplicado, os íons serão empurrados para a região energeticamente melhor. Se uma tensão é suficiente para que todos os dipolos fiquem organizados na mesma direção, a máxima contribuição de momento de dipolo é alcançado. Isto é conhecido como polarização de saturação PSAT. Se o campo for reduzido a zero novamente, muitos dipolos continuarão neste último estado e causará uma polarização do material, conhecido como polarização remanente PREM. Se o campo elétrico é mudado para a direção oposta, a polarização resultante cai a zero e o campo necessário para se chegar a isto é chamado de campo coercivo EC.

IV. MATERIAIS CERÂMICOS POLICRISTALINOS

As características apresentadas anteriormente são válidas para o estudo de um único cristal de um composto cerâmico, ou monocristais. Porém, na maioria, os materiais cerâmicos dielétricos são usados como materiais policristalinos e polifásicos. Nos policristalinos, as propriedades direcionais dos materiais cerâmicos são aleatórias. Ainda assim, as cargas espaciais, que se podem desenvolver nos contornos de grão e nas superfícies dos poros, alteram o comportamento dielétrico dos materiais cerâmicos.

As regras que se aplicam aos materiais polifásicos são as mesmas de uma disperção de partículas esféricas numa matriz de segunda fase. Entretanto, em vez de usarmos a relação de Maxwell para a constante dielétrica total, usamos a seguinte relação empírica:

log k’ = ∑ i V i log k’i

onde V i é a fração volumétrica de cada fase. Isto ressalta o importante efeito das quantidades relativamente pequenas de fases cerâmicas, com baixas constantes dielétricas, sobre a constante total do produto cerâmico.

V. PORCELANA

A porcelana elétrica típica é constituída por cerca de 50% de caulino, 25% de quartzo e 25% de feldspato. Esta composição permite obter um material de excelentes características dieléctricas, elevada resistência mecânica à compressão e à flexão, boa resistência mecânica à tração e à torção, impermeável à água e aos gases, resistente a ácidos concentrados (excepto ácido fluorídrico), resistente a grandes mudanças de temperatura e que suporta temperaturas de serviço elevadas (da ordem dos 1000 °C), e preço relativamente baixo.

A sua principal desvantagem deriva do fato de apresentar um elevado fator de perdas, comparando com outros materiais isoladores elétricos.

A composição da cerâmica eletrotécnica pode ser alterada de forma a melhorar determinadas características,

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quer variando as proporções dos seus componentes, quer alterando a sua composição. No entanto, melhorando umas características pioram outras.

Por exemplo, o aumento da proporção de feldspato caulino aumenta a resistência térmica da porcelana, mas piora as suas característica mecânicas; o aumento da proporção de quartzo aumenta a resistência mecânica, agravando a resistência térmica; aumentando a proporção de feldspato melhoram-se as características eléctricas, mas as características mecânicas são pioradas.

Consoante o tipo de aplicação, é importante conhecer a variação das características da porcelana com a temperatura, pois pode vir a ser sujeita a arcos eléctricos durante o serviço. Tanto a rigidez dielétrica, como a resistividade ou o fator de perdas variam com a temperatura.

Durante o processo de fabricação, a forma da porcelana eletrotécnica pode ser obtida por três processos distintos: por via seca, via húmida ou por molde.

A porcelana preparada por via seca é utilizada em baixa tensão. Obtém-se moldando, por pressão, a porcelana reduzida a pó ligeiramente húmida. Recorrendo a moldes apropriados obtêm-se peças de formas muito variadas.

A porcelana produzida por via húmida utiliza-se principalmente para aplicações destinadas à alta tensão: isoladores de apoio e de cadeia, travessias, entre outras. Com o material em estado plástico fazem-se tubos ou barras, realizando-se os acabamentos com um torno vertical ou ferramentas especiais.

Finalmente, a porcelana obtida por molde é utilizada em peças que necessitam de grande rigidez dielétrica e têm formas mais complexas. O material em estado líquido é vazado em moldes de gesso, compostos por várias partes. Quando as peças adquirem a consistência necessária à sua manipulação sem serem deformadas, retiram-se dos moldes.

VI. ESTEATITE

Os cerâmicos de esteatite são bons isoladores elétricos, uma vez que apresentam baixos factores de perdas (inferior ao da porcelana eletrotécnica), baixa absorção de humidade, boa resistência ao impacto e elevada resistência à tração, à compressão e à flexão (aproximadamente o dobro relativamente à porcelana eletrotécnica). Têm como inconvenientes não se poderem esmaltar, devido à diferença entre os coeficientes de dilatação do esmalte e da esteatite, e o seu custo elevado.

A sua composição baseia -se em 90% de talco e 10% de argila. Este material é utilizado em larga escala quando é necessário suportar grandes esforços mecânicos.

III. MATERIAIS CERÂMICOS À BASE DE COMPOSTOS DE TITÂNIO

Estes materiais apresentam uma constante dielétrica elevada, baixo fator de perdas dielétricas (mesmo a muito

altas frequências). Por isso são adequados para a fabricação de capacitores. O seu principal componente é o óxido de titânio, que possui uma constante dieléctrica de 117. Esta constante mantém-se até frequências de cerca de 3*106

MHz. No entanto, trata-se de um componente dispendioso e difícil de obter, pelo que só se utiliza o óxido de titânio puro em casos muito especiais.

Normalmente recorre-se a compostos cerâmicos contendo óxido de titânio. A constante dielétrica desses compostos atinge o valor de 90, apresentando um fator de perdas muito baixo a altas frequências. No entanto, o fator de perdas para médias e baixas frequências é mais elevado, limitando a sua aplicação às altas frequências.

Neste grupo de materiais incluem-se também cerâmicos com titânio de magnésio, que são caracterizados por uma constante dielétrica média e um fator de perdas para altas frequências excepcionalmente baixo.

IV. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Artigos:[1] Anderson Cordeiro, e André de Oliveira Branco, “Propriedades

Dielétricas dos Materiais Cerâmicos” , UFPR.[2] Daniel Henrique Pastro e Helvio Hirotoshi Miyagi, “Materiais

Piezoelétricos, Piroelétricos e Ferroelétricos”, UFPR

Livros:[3] Lawrence H. Van Vlack, Propriedades dos Materiais Cerâmicos, Ed.

Edgard Blucher Ltda ,São Paulo, 1973, pp. 167-170.[4] SMITH, William F. – “Princípios de Ciência e Engenharia dos

Materiais” – McGraw Hill – 3ª edição – Portugal, 1998;[5] Buchnan, Relva C., "Ceramic Materials for Electronics".

Ed. Marcel Dekker

Sites:[6] http://www.cpdee.ufmg.br/~glassio/Tipos_de_Capacitores.html[7] www.labspot.ufsc.br/~jackie/cap4_new.pdf

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