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Title: Desenvolvimento de substratos cerâmicos de dióxido de titânio com alta permissividade para utilização em antenas.
Authors: Freitas, Antonio Evangelista de
metadata.dc.contributor.advisor: Araújo, Fernando Gabriel da Silva
Costa, Adilson Rodrigues da
Araújo, Humberto Xavier de
Keywords: Dióxido de titânio
Sinterização - sólidos
Antenas - eletrônica
Cerâmica - tecnologia
Issue Date: 2020
metadata.dc.contributor.referee: Araújo, Fernando Gabriel da Silva
Solé, Rubén Antonio Llobell
Mendes, Jefferson Januário
Bernardes, Américo Tristão
Batista, Ronaldo Junio Campos
Costa, Adilson Rodrigues da
Citation: FREITAS, Antonio Evangelista de. Desenvolvimento de substratos cerâmicos de dióxido de titânio com alta permissividade para utilização em antenas. 2020. 108 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2020.
Abstract: É investigado o dióxido de titânio (TiO2) como substrato dielétrico para aplicações em dispositivos de telecomunicações, em especial antenas de microfita. A escolha foi baseada no baixo preço do TiO2 e seu comportamento inofensivo à saúde humana. Os substratos foram fabricados pela sinterização por estado sólido. Esta técnica produz cerâmicas de qualidade a baixo custo, o que favorece a viabilidade econômica para as futuras antenas. Devido às propriedades dielétricas, o substrato torna-se importante para a miniaturização e eficiência das antenas. Neste sentido uma completa caracterização da microestrutura torna-se necessária, bem como uma detalhada caracterização das propriedades eletromagnéticas. Os substratos de dióxido de titânio foram sintetizados em temperaturas que variaram de 1150 °C a 1350 °C. O tempo de sinterização também foi investigado, obtendose amostras com tempos de 4 e 12 horas. A difração de raios X e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram utilizadas para investigar a estrutura cristalina, o tamanho dos grãos e a porosidade das amostras resultantes. As cerâmicas obtidas são tetragonais (fase rutilo), com tamanhos médios de grãos variando de 2,94 µm a 5,81 µm. A variabilidade dos tamanhos de grãos, evidenciada pelo erro médio padrão, não foi muito grande para cada temperatura/tempo de sinterização, o que confirma que não houve crescimento anormal de grão. O tamanho médio dos grãos das amostras aumenta com o aumento da temperatura, enquanto a porosidade total diminui, bem como o tamanho médio das porosidades. O mesmo comportamento, de tamanho de grão e porosidade, é observado quando se mantém a temperatura constante e incrementa-se o tempo de sinterização. O efeito da microestrutura nas propriedades dielétricas dos substratos cerâmicos também foi estudado. Densidades relativas obtidas entre 0.66 e 0.86 indicam a evolução do processo de densificação à medida que tempo/temperatura aumentaram. A densificação, evidenciado pela redução da porosidade e crescimento dos grãos, das amostras aumentam as suas permissividades dielétricas relativas. Um modelo analítico inovador foi desenvolvido, permitindo que se estime a permissividade do material sem poros. Os valores obtidos para a permissividade dielétrica foram elevados se comparados com substratos comerciais usualmente utilizados em componentes de telecomunicações. Isso indica que os substratos cerâmicos obtidos podem ser úteis na miniaturização de dispositivos de telecomunicações, especialmente as antenas de microfita. As tangentes de perdas foram próximas de zero, o que garante uma boa eficiência para os futuros equipamentos construídos sobre os substratos cerâmicos desenvolvidos.
metadata.dc.description.abstracten: Titanium dioxide (TiO2) is investigated as a dielectric substrate for applications in telecommunications devices, in particular microstrip antennas. The choice was based on the low price of TiO2 and its harmless behavior to human health. The substrates were manufactured by solid state sintering. This technique produces quality ceramics at low cost, which favors the economic viability for future antennas. Due to the dielectric properties, the substrate becomes important for the miniaturization and efficiency of the antennas. In this sense, a complete characterization of the microstructure is necessary, as well as a detailed characterization of the electromagnetic properties. Titanium dioxide substrates were synthesized at temperatures ranging from 1150 °C to 1350 °C. The sintering time was also investigated, obtaining samples with times of 4 and 12 hours. X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM) where employed to investigate the crystal structure, grain size and porosity of the resulting samples. The obtained ceramics are tetragonal (rutile phase) with average grain sizes varying from 2.94 µm up to 5.81 µm. The variability in grain sizes, evidenced by the average error, was not very high for each sintering temperature / time, which confirms that there was no abnormal grain growth. The average grain size of samples increases with increasing temperature, while the total porosity decreases, as well as the average porosity size. The same behavior, of grain size and porosity, is observed when the temperature is kept constant and the sintering time is increased. The effect of microstructure on the dielectric properties has been also studied. Relative densities obtained between 0.66 and 0.86 indicate the evolution of the densification process as time/temperature increased. The densification, evidenced by the reduction of the porosity and growth of the grains, of the samples increase their relative dielectric permittivity. An innovative analytical model was developed, allowing to estimate the permeability of the material without pores. The values obtained for the dielectric permittivity were high when compared with commercial substrates usually used in telecommunications. This indicates that the ceramic substrates obtained may be useful in the miniaturization of microstrip antennas. The loss tangents were close to zero, which guarantees good efficiency for future equipment built on the developed ceramic substrates.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/12550
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 24/07/2020 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação.
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