Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo, denominado forno de indução eletromagnética (FIE), que permite trabalhar em altas temperaturas ~ 1900oC e com vácuo dinâmico equivalente a uma pressão parcial de oxigênio PO2 ~ 10-10 atm. Durante os experimentos de calibração do FIE, foram estudadas amostras de um composto binário de Y2O3 com 3% em mol de ZrO2, cujo pó foi obtido por mistura de óxidos. As amostras foram conformadas por prensagem uniaxial de 50 MPa, seguida de prensagem isostática a 350 MPa por 10 minutos e submetidas à sinterização em temperaturas superiores a 1800oC, resultando em transparência superior a 60% para comprimentos de onda em torno de 800 nm. Posteriormente, um composto quaternário de BaTi0.85Zr0.15O3 foi produzido por mistura de óxidos e calcinação a 1200oC. As amostras foram então conformadas seguindo a mesma metodologia da Y2O3, posteriormente sinterizadas entre 1250oC a 1400oC, com patamares de 1 h e 3 h. As amostras preparadas no FIE foram submetidas a uma pressão parcial de oxigênio de ~ 10-7 atm, enquanto outro conjunto de amostras foi sinterizado em um forno elétrico convencional (FEC) com atmosfera aberta para comparação. Foram realizadas caracterizações microestruturais aplicando-se as técnicas de difração de raios X, BET, EDX, microscopia eletrônica de varredura, além de caracterização elétrica por espectroscopia de impedância. Destas caracterizações verificou-se a obtenção de partículas do pó de BaTi0.85Zr0.15O3 com tamanho médio de 110 nm. O tamanho médio dos grãos nas microestruturas variou entre 4 e 30 &microm nas amostras fabricadas em FEC, enquanto nas amostras fabricadas em FIE o tamanho foi em torno de 250 nm. Para as amostras feitas no FEC, a resposta dielétrica dos grãos evidenciou o cumprimento da lei de Curie-Weiss conforme o modelamento bricklayer feito no programa Zview, porém foi observada anomalia dielétrica para medidas de permissividade em temperaturas maiores do que 96oC. O material feito no FIE não apresentou comportamento ferroelétrico no intervalo de temperatura estudado de -243 - 137oC, mas foi evidenciado um comportamento típico de material varistor. Considerando a relação entre as propriedades macro e microscópicas no modelo bricklayer, a ferroeletricidade e a variação da anomalia dielétrica são discutidas em função do tamanho de grãos para as amostras feitas no FEC. Com base no modelo de Pike para varistores, o comportamento varistor do material feito no FIE é discutido em função dos defeitos causados pela baixa pressão parcial de oxigênio ~ 10-7 atm. / In this work it has been developed a device, called electromagnetic induction furnace (EIF), which allow us to work at high temperatures ~ 1900oC and under dynamic vacuum equivalent to partial pressure of oxygen PO2 ~ 10-10 atm. During the calibration experiments of the EIF, it was studied a binary compound of Y2O3 with 3 mol% of ZrO2 which was obtained by mixing oxides. The samples were processed by uniaxial pressing 50 MPa followed by isostatic pressing at 350 MPa for 10 minutes and submitted to sintering at temperatures above 1800 oC, resulting in transparency greater than 60% for wavelengths around 800 nm. After, a quaternary compound of BaTi0.85Zr0.15O was produced by mixing oxides and calcination at 1200 oC. Then the samples were shaped according to the same methodology of the Y2O3 subsequently sintered between 1250oC to 1400 oC, with 1 h and 3 h baseline. The samples prepared in the EIF were submitted to oxygen partial pressure of ~ 10-7 atm, while another samples set was sintered in a conventional electric furnace (CEF) with open atmosphere for comparison. Microstructural characterizations were performed by applying the techniques of X-ray diffraction, BET, EDS, SEM, and electrical characterization by impedance spectroscopy. In these characterizations were obtained powder particles of BaTi0.85Zr0.15O3 with an average size of 110 nm. The average grain size in the microstructures ranged between 4 and 30 &microm in the samples fabricated in CEF, but in the samples manufactured in EIF the size has been around 250 nm. For samples made in the CEF, the dielectric response of the grains showed the fulfillment of the Curie-Weiss law according to the bricklayer model made in the Zview program, but was observed dielectric anomaly on measurements of permittivity at temperatures higher than 96 oC. The material made in EIF does not showed ferroelectric behavior in the studied temperature range -243 - 137 oC, but was shown a typical behavior of varistor material. Considering the relationship between macroscopic and microscopic properties in the bricklayer model, the ferroelectricity and the dielectric anomaly variation are discussed at function of the grain size for samples made in CEF. Based on the model of Pike for varistors, the varistor behavior of the material made in EIF is discussed in terms of defects caused by low oxygen partial pressure ~ 10-7 atm.

Neste trabalho foi desenvolvido um dispositivo, denominado forno de indução eletromagnética (FIE), que permite trabalhar em altas temperaturas ~ 1900oC e com vácuo dinâmico equivalente a uma pressão parcial de oxigênio PO2 ~ 10-10 atm. Durante os experimentos de calibração do FIE, foram estudadas amostras de um composto binário de Y2O3 com 3% em mol de ZrO2, cujo pó foi obtido por mistura de óxidos. As amostras foram conformadas por prensagem uniaxial de 50 MPa, seguida de prensagem isostática a 350 MPa por 10 minutos e submetidas à sinterização em temperaturas superiores a 1800oC, resultando em transparência superior a 60% para comprimentos de onda em torno de 800 nm. Posteriormente, um composto quaternário de BaTi0.85Zr0.15O3 foi produzido por mistura de óxidos e calcinação a 1200oC. As amostras foram então conformadas seguindo a mesma metodologia da Y2O3, posteriormente sinterizadas entre 1250oC a 1400oC, com patamares de 1 h e 3 h. As amostras preparadas no FIE foram submetidas a uma pressão parcial de oxigênio de ~ 10-7 atm, enquanto outro conjunto de amostras foi sinterizado em um forno elétrico convencional (FEC) com atmosfera aberta para comparação. Foram realizadas caracterizações microestruturais aplicando-se as técnicas de difração de raios X, BET, EDX, microscopia eletrônica de varredura, além de caracterização elétrica por espectroscopia de impedância. Destas caracterizações verificou-se a obtenção de partículas do pó de BaTi0.85Zr0.15O3 com tamanho médio de 110 nm. O tamanho médio dos grãos nas microestruturas variou entre 4 e 30 &microm nas amostras fabricadas em FEC, enquanto nas amostras fabricadas em FIE o tamanho foi em torno de 250 nm. Para as amostras feitas no FEC, a resposta dielétrica dos grãos evidenciou o cumprimento da lei de Curie-Weiss conforme o modelamento bricklayer feito no programa Zview, porém foi observada anomalia dielétrica para medidas de permissividade em temperaturas maiores do que 96oC. O material feito no FIE não apresentou comportamento ferroelétrico no intervalo de temperatura estudado de -243 - 137oC, mas foi evidenciado um comportamento típico de material varistor. Considerando a relação entre as propriedades macro e microscópicas no modelo bricklayer, a ferroeletricidade e a variação da anomalia dielétrica são discutidas em função do tamanho de grãos para as amostras feitas no FEC. Com base no modelo de Pike para varistores, o comportamento varistor do material feito no FIE é discutido em função dos defeitos causados pela baixa pressão parcial de oxigênio ~ 10-7 atm. / In this work it has been developed a device, called electromagnetic induction furnace (EIF), which allow us to work at high temperatures ~ 1900oC and under dynamic vacuum equivalent to partial pressure of oxygen PO2 ~ 10-10 atm. During the calibration experiments of the EIF, it was studied a binary compound of Y2O3 with 3 mol% of ZrO2 which was obtained by mixing oxides. The samples were processed by uniaxial pressing 50 MPa followed by isostatic pressing at 350 MPa for 10 minutes and submitted to sintering at temperatures above 1800 oC, resulting in transparency greater than 60% for wavelengths around 800 nm. After, a quaternary compound of BaTi0.85Zr0.15O was produced by mixing oxides and calcination at 1200 oC. Then the samples were shaped according to the same methodology of the Y2O3 subsequently sintered between 1250oC to 1400 oC, with 1 h and 3 h baseline. The samples prepared in the EIF were submitted to oxygen partial pressure of ~ 10-7 atm, while another samples set was sintered in a conventional electric furnace (CEF) with open atmosphere for comparison. Microstructural characterizations were performed by applying the techniques of X-ray diffraction, BET, EDS, SEM, and electrical characterization by impedance spectroscopy. In these characterizations were obtained powder particles of BaTi0.85Zr0.15O3 with an average size of 110 nm. The average grain size in the microstructures ranged between 4 and 30 &microm in the samples fabricated in CEF, but in the samples manufactured in EIF the size has been around 250 nm. For samples made in the CEF, the dielectric response of the grains showed the fulfillment of the Curie-Weiss law according to the bricklayer model made in the Zview program, but was observed dielectric anomaly on measurements of permittivity at temperatures higher than 96 oC. The material made in EIF does not showed ferroelectric behavior in the studied temperature range -243 - 137 oC, but was shown a typical behavior of varistor material. Considering the relationship between macroscopic and microscopic properties in the bricklayer model, the ferroelectricity and the dielectric anomaly variation are discussed at function of the grain size for samples made in CEF. Based on the model of Pike for varistors, the varistor behavior of the material made in EIF is discussed in terms of defects caused by low oxygen partial pressure ~ 10-7 atm.

Neste trabalho, cerâmicas de BaTiO3 foram preparadas pelo método de Pechini com o propósito de estudar as suas propriedades dielétricas, incluindo as anomalias dielétricas de origem interfacial nestes ferroelétricos. Após calcinação das soluções precursoras a 600 oC por 2h, os pós compactados foram sinterizados a várias temperaturas entre 1150 e 1450 oC. Subseqüentemente, foram realizadas caracterizações (micro)estruturais aplicando as técnicas de microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X, além de estudos dielétricos utilizando a técnica de espectroscopia de impedância. Destas caracterizações, verificou-se a obtenção de materiais cerâmicos com tamanhos de grãos variando entre 0,8 e 37 micrometros ao aumentar a temperatura de sinterização. Os resultados de dinâmica térmica de densificação indicam a contribuição de dois mecanismos independentes: (i) sinterização com participação de fase líquida, induzindo altas densidades dos materiais a partir de ~1300 oC (perto do ponto eutético), e (ii) sinterização via reação de estado sólido, implicando alta sinterabilidade mesmo abaixo dos 1300 oC, em se tratando de pós nanométricos, ou seja, com alta densidade de defeitos e, portanto, processos de difusão iônica intensificados. Por outro lado, a resposta dielétrica dos grãos evidenciou o cumprimento da lei de Curie-Weiss, típica de ferroelétricos, enquanto um fenômeno de anomalia dielétrica (não cumprimento desta lei) foi observado para as respostas totais destes materiais em altas temperaturas e baixas freqüências. A análise dos resultados de espectroscopia de impedância via circuito equivalente, sendo considerado o modelo de camadas (grãos e contornos de grãos) em série, revelou a predominância das propriedades dielétricas das interfaces intergranulares como a causa desta anomalia. Considerando a relação entre propriedades macroscópicas e microscópicas no modelo, a variação da intensidade da anomalia é discutida em função do tamanho dos grãos, sendo este parâmetro uma medida (função inversa) da densidade das interfaces intergranulares. Em geral, este trabalho revela uma excelente correlação entre microestruturas, circuito equivalente e propriedades dielétricas exibidas por estes materiais eletrocerâmicos. / BaTiO3 ceramics were prepared in this work, following the Pechinis method, with the purpose of studying their dielectric properties, including especially the occurrence and characteristics of dielectric anomalies associated to internal interfaces, as often found in ferroelectrics. After calcination of the precursor solutions at 600 oC for 2h, the synthesized green compacts were sintered at several temperatures from 1150 to 1450 oC. Subsequently, (micro)structural characterizations were carried out by applying scanning electron microscopy and X-ray diffraction techniques, followed by dielectric measurements using the impedance spectroscopy technique. From these characterizations, the production of ceramic bodies with average grain sizes varying from 0.8 to 37 micrometer was verified when increasing the sintering temperature. The results of thermal dynamics of densification indicate the contribution of two independent mechanisms, namely (i) liquid phase-assisted sintering, inducing high materials density from ~1300 oC (close to the eutectic point) above, and (ii) solid-state sintering, implying high sinterability even below 1300 oC, as dealing with nanoparticles-sized powders, meaning high density of surface defects and, thus, enhanced ionic diffusion processes. On the other hand, while the dielectric response of the grains satisfied the Curie-Weiss law, typical of ferroelectrics, a dielectric anomaly (departure from this law) phenomenon was observed for the total dielectric response of these materials towards higher temperatures and lower frequencies. The analysis of the results from impedance spectroscopy via equivalent circuit, involving consideration of the series layer (grains and grain boundaries) model, revealed that the predominance of the dielectric properties from the intergranular interfaces is responsible for occurrence of this anomaly. Considering the relation between macroscopic and microscopic properties holding in this model, the variation of the anomaly strength is here discussed in terms of the value of average grain size in these ceramics, a microstructural parameter that represents a measure (inverse function) of the density of the intergranular interfaces. In general, the present study reveals a really good correlation between microstructures, equivalent circuit and dielectric properties exhibited by these electroceramic materials.

Neste trabalho, cerâmicas de BaTiO3 foram preparadas pelo método de Pechini com o propósito de estudar as suas propriedades dielétricas, incluindo as anomalias dielétricas de origem interfacial nestes ferroelétricos. Após calcinação das soluções precursoras a 600 oC por 2h, os pós compactados foram sinterizados a várias temperaturas entre 1150 e 1450 oC. Subseqüentemente, foram realizadas caracterizações (micro)estruturais aplicando as técnicas de microscopia eletrônica de varredura e difração de raios X, além de estudos dielétricos utilizando a técnica de espectroscopia de impedância. Destas caracterizações, verificou-se a obtenção de materiais cerâmicos com tamanhos de grãos variando entre 0,8 e 37 micrometros ao aumentar a temperatura de sinterização. Os resultados de dinâmica térmica de densificação indicam a contribuição de dois mecanismos independentes: (i) sinterização com participação de fase líquida, induzindo altas densidades dos materiais a partir de ~1300 oC (perto do ponto eutético), e (ii) sinterização via reação de estado sólido, implicando alta sinterabilidade mesmo abaixo dos 1300 oC, em se tratando de pós nanométricos, ou seja, com alta densidade de defeitos e, portanto, processos de difusão iônica intensificados. Por outro lado, a resposta dielétrica dos grãos evidenciou o cumprimento da lei de Curie-Weiss, típica de ferroelétricos, enquanto um fenômeno de anomalia dielétrica (não cumprimento desta lei) foi observado para as respostas totais destes materiais em altas temperaturas e baixas freqüências. A análise dos resultados de espectroscopia de impedância via circuito equivalente, sendo considerado o modelo de camadas (grãos e contornos de grãos) em série, revelou a predominância das propriedades dielétricas das interfaces intergranulares como a causa desta anomalia. Considerando a relação entre propriedades macroscópicas e microscópicas no modelo, a variação da intensidade da anomalia é discutida em função do tamanho dos grãos, sendo este parâmetro uma medida (função inversa) da densidade das interfaces intergranulares. Em geral, este trabalho revela uma excelente correlação entre microestruturas, circuito equivalente e propriedades dielétricas exibidas por estes materiais eletrocerâmicos. / BaTiO3 ceramics were prepared in this work, following the Pechinis method, with the purpose of studying their dielectric properties, including especially the occurrence and characteristics of dielectric anomalies associated to internal interfaces, as often found in ferroelectrics. After calcination of the precursor solutions at 600 oC for 2h, the synthesized green compacts were sintered at several temperatures from 1150 to 1450 oC. Subsequently, (micro)structural characterizations were carried out by applying scanning electron microscopy and X-ray diffraction techniques, followed by dielectric measurements using the impedance spectroscopy technique. From these characterizations, the production of ceramic bodies with average grain sizes varying from 0.8 to 37 micrometer was verified when increasing the sintering temperature. The results of thermal dynamics of densification indicate the contribution of two independent mechanisms, namely (i) liquid phase-assisted sintering, inducing high materials density from ~1300 oC (close to the eutectic point) above, and (ii) solid-state sintering, implying high sinterability even below 1300 oC, as dealing with nanoparticles-sized powders, meaning high density of surface defects and, thus, enhanced ionic diffusion processes. On the other hand, while the dielectric response of the grains satisfied the Curie-Weiss law, typical of ferroelectrics, a dielectric anomaly (departure from this law) phenomenon was observed for the total dielectric response of these materials towards higher temperatures and lower frequencies. The analysis of the results from impedance spectroscopy via equivalent circuit, involving consideration of the series layer (grains and grain boundaries) model, revealed that the predominance of the dielectric properties from the intergranular interfaces is responsible for occurrence of this anomaly. Considering the relation between macroscopic and microscopic properties holding in this model, the variation of the anomaly strength is here discussed in terms of the value of average grain size in these ceramics, a microstructural parameter that represents a measure (inverse function) of the density of the intergranular interfaces. In general, the present study reveals a really good correlation between microstructures, equivalent circuit and dielectric properties exhibited by these electroceramic materials.