Made available in DSpace on 2014-06-11T19:25:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2010-02-12Bitstream added on 2014-06-13T19:12:28Z : No. of bitstreams: 1 ribeiro_wc_me_araiq.pdf: 1297255 bytes, checksum: f4a271b5dffa7eda6a4d75757f166f05 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Neste trabalho buscou-se estabelecer uma correlação entre as propriedades nãoôhmicas e dielétricas do CaCu3Ti4O12 (CCTO) considerando a influência da microestrutura obtida pela variação do tempo de sinterização (3, 12, 24, 48 ou 72 h). Em virtude dos modelos descritos na literatura não contemplarem todas as características elétricas apresentadas pelo CCTO, um modelo chamado NBLC (Nanosized Barrier Layer Capacitor) foi delineado, discutido e aplicado sobre os resultados obtidos. Além disso, a adição de SnO2 no CCTO foi realizada para validar o modelo NBLC. As medidas de difração de raios-X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) mostraram que as medidas elétricas não possuem relação com a formação de precipitados ou fase secundária dentro do limite das técnicas. A diminuição do campo elétrico de ruptura r E e do coeficiente de não linearidade a , além do aumento da corrente de fuga f I , exibiram a degradação da propriedade não-ôhmica com o aumento do tempo de sinterização que foram relatados a dessorção de oxigênio. Como consequência, as resistências do grão e do contorno de grão diminuíram, assim como a quantidade de cargas no contorno de grão. Para verificar a origem da constante dielétrica, foram analisados os processos de relaxação dielétrica e condutiva que apresentaram 3 processos: cargas espaciais no contorno de grão (baixa frequência), cargas espaciais nas nanobarreiras capacitivas (frequência intermediária) e polarização hopping de polarons (alta frequência). A energia de ativação para o fenômeno em alta frequência foi calculada, indicando a presença de polarons na estrutura. Para estabelecer a relação entre tempo de sinterização e quantidade de defeitos no material, medidas de colorimetria foram efetuadas. O modelo NBLC conciliou a elevada constante dielétrica com baixa resistência que, a princípio... / The goal of this work was established a correlation between non-ohmic and dielectric behavior in CaCu3Ti4O12 (CCTO) polycrystalline ceramics in that was verified the influence of microstructure obtained in several sintering time (3, 12, 24, 48 or 72 h). The NBLC model (Nanosized Barrier Layer Capacitor) was described and applied over the results obtained here. This model showed to be better than the literature models because can join high dielectric constant and low resistivity. The CCTO ceramics was doping by SnO2 to valid NBLC model. X-ray diffraction (XRD) and scanning electronic microscopy (SEM) measurements showed that secondary phase or precipitated has no relation with electrical behavior. Switch electric field r E and nonlinear coefficient a increased while leakage current f I diminished function of sintering time. These facts were related of oxygen desorption and as a consequence the grain and grain boundary resistivity decreased. The origin of dielectric behavior was discussed based on relaxation process amount, obtained 3 processes: space charge in grain boundary (low frequency), space charge in nanosized barriers (medium frequency) and hopping polarization of polaron (high frequency). Activation energy of the high frequency phenomenon was a clue of polaron existence. To establish a relationship between sintering time and defect amount in the material, colorimetric measurements were carried out. The incoherencies of CCTO electrical features present in the literature were explained by NBLC model. The SnO2 doping CCTO was carried out to support NBLC model. Thus, the non-ohmic property improved when no stacking faults had. The grain and grain boundary resistivity increased and dielectric constant diminished two fold orders. The defect amount control is important to point the better application: high frequency dielectric or varistor device

O estudo da adição de dopantes pentavalentes é uma das principais linhas de pesquisas em eletrocerâmicas para varistores de TiO2. Diversos autores têm buscado entender os efeitos destes dopantes nas propriedades elétricas e microestruturais destas cerâmicas eletrônicas. Este trabalho apresenta um estudo do comportamento eletrônico do TiO2 frente a adição de Ta2O5 em concentrações maiores das já estudas, buscando obter varistores binários para aplicação em baixa tensão. Sistemas a base de TiO2 dopados com Ta2O5 foram preparados por mistura convencional de óxidos e conformados na forma de disco. A microestrutura dos compactos contendo 0,5, 1,0, 1,5 e 2,0% em mol de Ta2O5, sinterizados a uma taxa de aquecimento de 5°C/min. em 1300°, 1350° e 1400°C por 1 hora, foram analisadas, apresentando a evolução da microestrutura frente a temperatura de sinterização. Os valores da densidade das amostras foram obtidos através do método de Arquimedes, demonstrando a contribuição do Ta2O5 na densificação dos sistemas, e através de difração de raios X, foi possível determinar a fase presente nestas cerâmicas. Para avaliar as propriedades elétricas, realizou-se medidas de tensão-corrente (CC) em temperatura ambiente e em função da temperatura, obtendo coeficiente não-linear, altura e largura da barreira de potencial. Utilizando a espectroscopia de impedância avaliou-se o comportamento dos sistemas, medindo a contribuição do grão e do contorno de grão, calculando a energia de ativação. As medidas Mott-Schottky foram obtidas, possibilitando estimar a concentração de doadores e densidade de estados eletrônico. Na temperatura mais elevada de sinterização, 1400°C, melhorou-se as características varistoras, ocorrendo aumento da densificação e redução do campo elétrico de ruptura, apresentando com um nível ideal do dopante, 1% em mol de Ta2O5, varistores com coeficiente não-linear de 5,3 e baixo campo elétrico de ruptura de 38,4 V/cm. / The study of additional pentavalent dopants is one of the main research lines in electroceramics for TiO2 varistors. Several authors have sought to understand the effect this dopants in eletrical and microstructural properties of these electronic ceramics. This work presents a study of the electronic behavior of TiO2 versus the addition of Ta2O5 in higher concentrations of those already studied, in order to obtain binary varistors for low voltage application. TiO2 based systems doped with Ta2O5 were prepared by the conventional mixture of oxides and shaped in the disk form. The microstructure of the composites containing 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 mol% of Ta2O5, sintered at a heating rate of 5°C/min. at temperatures of 1300°, 1350° and 1400°C for 1 hour were analyzed, showing a development of the microstructure against a sintering temperature. The density values of the samples were obtained by the Archimedes method, demonstrating a contribution of Ta2O5 in the densification of the systems; and, by means of X-ray diffraction, it was possible to determine a phase present in these ceramics. In order to evaluate electrical properties, voltage-current (DC) measurements were performed at room temperature and changing the temperature, obtaining nonlinear coefficient, height and width of the potential barrier. Using impedance spectroscopy, evaluate the behavior of the systems by measuring a contribution of the grain and the grain boundary, calculating an activation energy. As Mott-Schottky measurements were obtained, making it possible to estimate a concentration of donors and density of electronic states. At the higher sintering temperature, 1400°C, varistor characteristics were improved, increasing densification and reduction of the break down electric field, showing with the ideal level of dopant, 1.0 mol% of Ta2O5, varistors with nonlinear coefficient of 5.3 and low break down electric field of 38.4 V/cm.

Neste trabalho estudou-se a influência da adição do SrO no comportamento varistor do TiO2. As concentrações utilizadas de SrO foram: 0,50, 1,00, 1,50 e 2,00 mol %. O processamento empregado foi o método convencional de mistura de óxidos, onde os reagentes foram submetidos ao moinho de bolas para homogeneização, utilizando PVA como agente plastificante. A sinterização, em forno convencional ocorreu nas temperaturas de 1200, 1300 e 1400oC durante 1 h com taxa de aquecimento e resfriamento de 5oC=min. Pelas imagens de MEV foi possível observar a evolução microestrutural das amostras com o aumento da temperatura de sinterização. Relacionando análises de MEV, densidade e dilatometria, foi possível se chegar a uma temperatura de sinterização considerada ideal para aplicação em sistemas varistores de 1400oC. Nas micrografias das amostras sinterizadas a 1400oC foi possível observar uma microestrutura com características morfológicas adequadas para varistores. Juntamente com a análise de EDS, acoplada ao MEV e mapeamento de raios X, identificou-se a presença de Sr na região do contorno de grão das amostras contendo 0,50 e 1,00 mol %, sendo que com a concentração de 1,00 mol % o Sr mostrou-se distribuído de maneira mais uniforme na região do contorno de grão. Para concentrações superiores a 1,00 mol %, ocorre a precipitação do Sr além do contorno de grão, a análise de EDS e mapeamento de raios X aponta além do Sr o O, indicando a formação de SrTiO3. As medidas elétricas em corrente contínua realizadas em temperatura ambiente apontam um melhor coeficiente não linear de 5,50 para composição contendo 1,00 mol % de SrO. Para o modelamento da barreira de potencial tipo Schottky foram realizadas medidas em CC (25 - 200oC), onde encontrou-se uma melhor relação altura/largura de barreira para a composição contendo 1,00 mol % de SrO, sendo proposto um modelo de barreira de potencial. Com as medidas em corrente alternada, foi possível identificar e mensurar a contribuição do grão e do contorno de grão. Também foi realizado tratamento em atmosfera oxidante, onde foi possível obter uma considerável melhora nas propriedades varistoras, a = 8,54, com a adsorção de O2 no contorno de grão. / In this work the influence of SrO in Varistor behavior of TiO2 is assessed. The used concentrations were SrO: 0.50, 1.00, 1.50 and 2.00 mol %. The applied process used conventional method of mixing oxides, where the reactants were subjected to a ball mill for homogenization using PVA as a plasticizer. The sintering was performed in conventional oven temperatures at the temperatures of 1200, 1300 and 1400oC for 1 h with heating and cooling rate of 5oC=min. From the SEM images, it is possible to identify the microstructural evolution of samples while the sintering temperature increases. Using SEM analysis, density and dilatometry, it is possible to obtain the optimal sintering temperature applied for varistors of 1400oC. In micrographs of the sintered samples at 1400oC it is identified a microstructure with suitable morphological characteristics for varistors. By the EDS analysis coupled to SEM X-ray mapping, is identified the presence of Sr in the grain boundary region samples containing 0.50 and 1.00 mol %, and the concentration of 1.00 mol % Sr appears to be more evenly distributed in the grain boundary region For concentrations higher than 1.00 mol %, the precipitation of Sr occurs beyond the grain boundaries, and the analysis of EDS X-ray mapping show points beyond Sr and O, indicating the formation of SrTiO3. The electrical measurements in DC held at room temperature showed an optical non linear coefficient of 5.50 for the composition containing 1.00 mol % of SrO. For the potential barrier modeling type Schottky, measures were carried out in DC (25 - 200oC) where a better height/width barrier was found with the composition containing 1.00 mol % of SrO, being proposed a potential barrier model. In alternating current measurements, it was possible to identify and evaluate the grain and grain boundary contribution. It was also performed treatment in an oxidizing atmosphere, where it was possible to obtain a considerable improvement in the varistor properties, a = 8.54, with adsorption of O2 in the grain boundary.

Neste trabalho estudou-se a influência da adição do SrO no comportamento varistor do TiO2. As concentrações utilizadas de SrO foram: 0,50, 1,00, 1,50 e 2,00 mol %. O processamento empregado foi o método convencional de mistura de óxidos, onde os reagentes foram submetidos ao moinho de bolas para homogeneização, utilizando PVA como agente plastificante. A sinterização, em forno convencional ocorreu nas temperaturas de 1200, 1300 e 1400oC durante 1 h com taxa de aquecimento e resfriamento de 5oC=min. Pelas imagens de MEV foi possível observar a evolução microestrutural das amostras com o aumento da temperatura de sinterização. Relacionando análises de MEV, densidade e dilatometria, foi possível se chegar a uma temperatura de sinterização considerada ideal para aplicação em sistemas varistores de 1400oC. Nas micrografias das amostras sinterizadas a 1400oC foi possível observar uma microestrutura com características morfológicas adequadas para varistores. Juntamente com a análise de EDS, acoplada ao MEV e mapeamento de raios X, identificou-se a presença de Sr na região do contorno de grão das amostras contendo 0,50 e 1,00 mol %, sendo que com a concentração de 1,00 mol % o Sr mostrou-se distribuído de maneira mais uniforme na região do contorno de grão. Para concentrações superiores a 1,00 mol %, ocorre a precipitação do Sr além do contorno de grão, a análise de EDS e mapeamento de raios X aponta além do Sr o O, indicando a formação de SrTiO3. As medidas elétricas em corrente contínua realizadas em temperatura ambiente apontam um melhor coeficiente não linear de 5,50 para composição contendo 1,00 mol % de SrO. Para o modelamento da barreira de potencial tipo Schottky foram realizadas medidas em CC (25 - 200oC), onde encontrou-se uma melhor relação altura/largura de barreira para a composição contendo 1,00 mol % de SrO, sendo proposto um modelo de barreira de potencial. Com as medidas em corrente alternada, foi possível identificar e mensurar a contribuição do grão e do contorno de grão. Também foi realizado tratamento em atmosfera oxidante, onde foi possível obter uma considerável melhora nas propriedades varistoras, a = 8,54, com a adsorção de O2 no contorno de grão. / In this work the influence of SrO in Varistor behavior of TiO2 is assessed. The used concentrations were SrO: 0.50, 1.00, 1.50 and 2.00 mol %. The applied process used conventional method of mixing oxides, where the reactants were subjected to a ball mill for homogenization using PVA as a plasticizer. The sintering was performed in conventional oven temperatures at the temperatures of 1200, 1300 and 1400oC for 1 h with heating and cooling rate of 5oC=min. From the SEM images, it is possible to identify the microstructural evolution of samples while the sintering temperature increases. Using SEM analysis, density and dilatometry, it is possible to obtain the optimal sintering temperature applied for varistors of 1400oC. In micrographs of the sintered samples at 1400oC it is identified a microstructure with suitable morphological characteristics for varistors. By the EDS analysis coupled to SEM X-ray mapping, is identified the presence of Sr in the grain boundary region samples containing 0.50 and 1.00 mol %, and the concentration of 1.00 mol % Sr appears to be more evenly distributed in the grain boundary region For concentrations higher than 1.00 mol %, the precipitation of Sr occurs beyond the grain boundaries, and the analysis of EDS X-ray mapping show points beyond Sr and O, indicating the formation of SrTiO3. The electrical measurements in DC held at room temperature showed an optical non linear coefficient of 5.50 for the composition containing 1.00 mol % of SrO. For the potential barrier modeling type Schottky, measures were carried out in DC (25 - 200oC) where a better height/width barrier was found with the composition containing 1.00 mol % of SrO, being proposed a potential barrier model. In alternating current measurements, it was possible to identify and evaluate the grain and grain boundary contribution. It was also performed treatment in an oxidizing atmosphere, where it was possible to obtain a considerable improvement in the varistor properties, a = 8.54, with adsorption of O2 in the grain boundary.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:34:11Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2347.pdf: 3292291 bytes, checksum: dc54e6d366b7627fc352872ae369e01f (MD5) Previous issue date: 2009-03-16 / Financiadora de Estudos e Projetos / Polyaniline (PANI) chemical synthesis was monitored in situ by means of electrochemical impedance, open circuit potential (Voc) and mass variation. We verify that the final properties of the polymer could be practically defined after inflection point in the potential profile. The impedance data were decisive to understand this behavior, showing only a small change after inflection point. Impedance results and mass variations during the synthesis contributed to understand the induction mechanisms that occur in the initial stages of the polymerization process. Also, it was performed an investigation on the influence of different variables (temperature, monomer:oxidant molar ratio, oxidant, pH value, use of inert salts at high concentrations) in the PANI chemical synthesis process as well as in its physicochemical properties. In this work, it was estimated the characteristic points of PANI through the Voc measurements during the chemical synthesis, based on an experimental design methodology. This methodology allowed an efficient mapping of PANI synthesis process as well as its interactions with each variable previously described. The results indicated that the oxidant employed in the synthesis influences in the final chemical and physical properties of this polymer. The studies performed on the final properties of PANI were the degree of oxidation and electric resistivity. Moreover, the yield the degree of polymerization was also evaluated. The experimental design methodology was also used in order to understand the influence of the preparation conditions on the final properties of the blends in poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) (ABS) and polyaniline obtained by the co-dissolving components in a common organic solvent. The variables evaluated were the PANI content in the blend, m-cresol:chloroform rate (solvent ratio), dopant (DBSA or CSA) and acrylonitrile content in the ABS. The results showed that these variables are able to change significantly the flexibility and electric conductivity of the blends. On the other hand, the dopant used mainly influences in the conductivity, suggesting that the DBSA is the better for the development of PANI/ABS blends more conductive. After better prepare conditions of the blends, the percolation threshold was established at around 3 wt% of PANI, forming a flexible blend with conductivity of approximately 3 S.cm-1. The optical properties of the blend films were characterized by UV Vis-NIR. The conduction mechanisms of the blends were investigated using a dc electric conductivity in the range from 80 to 320 K. Using the Mott s theory, it was found that the conductivity in the blends is a threedimensional variable range hopping mechanism. The Mott s temperature values, density of states at the Fermi energy, average hopping distance and barrier height for the blends were calculated and discussed in this work. Also, two possible technological applications were proposed to the PANI/ABS system, including: composite varistors and antistatic or electromagnetic protection of electronic devices. The varistors were prepared with 30% of PANI, which showed a low rupture voltage at around 10 V and a non linearity coefficient of approximately 9,2. On the paint shape and when deposited on cardboard, this material can be employed as protector system of electronic devices. Another important characteristic is the conductivity of this material, which is controlled by the number of paint layers deposited on the cardboard. / A síntese química da polianilina (PANI) foi monitorada in situ por meio das técnicas de impedância eletroquímica, potencial de circuito aberto (Voc) e variação de massa. Foi detectado que as propriedades finais do polímero são definidas logo após o do máximo da curva de Voc e antes do platô final. Os dados de impedância foram decisivos para o entendimento desta característica, apresentando somente uma pequena variação depois do máximo de Voc. Os dados de impedância e variação de massa durante a síntese também contribuíram para a compreensão dos processos que ocorrem durante o período de indução da síntese da PANI. Em seguida, foi feita uma investigação da influência das variáveis de síntese tais como: temperatura, razão monômero:oxidante, tipo de agente oxidante, pH e o uso de LiCl na síntese química da PANI, bem como nas propriedades físico-químicas do polímero obtido. Para avaliar as influências destas variáveis na síntese da PANI foi utilizada a técnica de Voc e para avaliar pontos característicos foi empregada a metodologia de planejamento fatorial. Esta técnica permitiu estabelecer um rápido e compreensivo mapeamento do processo de síntese da PANI, e a importância de cada variável bem como suas interações. A variável que mais influenciou em todos os estágios do processo foi tipo de agente oxidante. Depois, foram estudas as propriedades finais do polímero tais como grau de oxidação e resistividade elétricas. O rendimento de polimerização também foi avaliado, todas estas respostas também foram avaliadas utilizando um planejamento fatorial que, por sua vez, mostrou que a variável que mais influencia nas propriedades finais do polímero é o tipo de agente oxidante. Em um segundo momento, foram estudadas as influências das condições de preparo das blendas de PANI com o poli(acrilonitrila-butadieno-estireno) (ABS) preparadas pelo método de codissolução de ambos os componentes em um solvente comum através de um planejamento fatorial. As variáveis estudadas foram: quantidade de PANI nas blendas, razão m-cresol;clorofórmio, tipo de dopante (DBSA ou CSA), concentração de dopante e teor de acrilonitrila no ABS. As respostas monitoradas foram a flexibilidade e a condutividade elétrica das blendas obtidas. Os resultados mostraram que a quantidade de PANI nas blendas e o teor de acrilonitrila no ABS foram as variáveis que mais influenciaram em ambas as respostas. O tipo de dopante mostrou somente influência na resposta condutividade, onde o DBSA se mostrou o melhor dopante para se obter blendas de PANI/ABS mais condutoras. Depois das melhores condições de preparo estabelecidas, o limite de percolação do sistema foi determinado, onde o valor estimado foi de 3% em massa de PANI na blenda, apresentando uma condutividade de 3 S.cm-1. Para se compreender o mecanismo de condutividade das amostras, foi feito um estudo da condutividade DC das blendas no intervalo de temperatura de 80-320 K. Os dados foram tratados aplicando a teoria de Mott, onde o mecanismo de condutividade obedece ao modelo de Saltos de Tamanhos Variáveis em três dimensões, e os parâmetros de Mott foram estimados. Duas aplicações para o sistema PANI/ABS foram propostas. Onde preparados compósitos varistores de PANI/ABS, sendo que o material preparado com 30% de PANI apresentou uma tensão de ruptura de aproximadamente 10 V e um coeficiente de não linearidade de 9,2, com estes valores o compósito pode ser utilizado na proteção de equipamentos eletrônicos. Na outra aplicação proposta neste trabalho, foi preparada uma tinta de PANI-DBSA/ABS, que foi depositada sobre papelão, a resistência elétrica do material pode ser controlada pelo número de camadas de tinta. Deste modo o material pode ser utilizado na proteção antiestática e eletromagnética também de componentes eletrônico.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:36:37Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissWKBJ.pdf: 8725422 bytes, checksum: 0362ac76da92baf68f6d8025bffe2e2d (MD5) Previous issue date: 2000-12-01 / Universidade Federal de Minas Gerais / Aiming at obtaining SnO2 based varistor systems with a high degree of non linearity, new varistor compositions were studied, by means of doping the known SnO2.Nb2O5.CoO system with Cr2O3 and MnO2, as well as changing the CoO content. Processing parameters, such as sintering temperature, cooling rate, heat treatment atmosphere and composition, were analyzed, assessing therefore the specific role of dopants in the microstructural and electrical properties of a SnO2 varistor system and also optimizing the doping levels. The systems were sintered at different temperatures and cooling rates, aiming at obtaining better densification and electrical properties. X-ray diffractograms indicate the presence of a single phase. However the micrographs obtained by SEM showed the presence of phases segregated at the grain boundary region, and also revealed very porous surfaces, mainly in the systems presenting high manganese concentration. X-ray spectroscopy was used to anlyze the composition of these segregations, indicating the presence of "Mn, Co, Cr and O" in this region. I-V measurements were carried out and the best varistor response was from the system containing 1 mol% cobalt. The systems with higher manganese concentration presented smaller coefficients of non-linearity and also the addition of chromium oxide highly increased the tension of rupture. Analyses of the electrical measurements of the samples, carried out after heat treatment at oxydizing and reducing atmospheres suggest that the oxygen adsorbed at the grain boundary interface is the main source of charge carries, responsible by the non-linear behavior of the SnO2 based varistors. / Tendo como objetivo a obtenção de sistemas varistores com matriz de dióxido de estanho apresentando elevado grau de não linearidade, foram estudadas novas composições varistoras no sistema já conhecido SnO2.Nb2O5.CoO, mediante a adição dos dopantes Cr2O3, MnO2 e variação de CoO. Parâmetros de processamento tais como: temperatura de sinterização, taxa de resfriamento, atmosfera e composição foram analisados, verificando assim o papel específico dos dopantes sobre as propriedades microestruturais e elétricas de um sistema varistor de SnO2, bem como a otimização destes dopantes. Os sistemas foram sinterizados em diferentes temperaturas e taxas de resfriamento com o propósito de se obter melhor densificação e propriedades elétricas. Os difratogramas de raios-X indicaram a presença de uma única fase, porém as micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura mostraram a presença de fases segregadas na região de contorno de grão, além de revelar superficíes muito porosas principalmente nos sistemas com elevada concentração de manganês. A espectroscopia de raios-X foi utilizada para analisar a composição destas fases segregadas, indicando a presença de Mn, Co, Cr e O nesta região. Medidas de tensão-corrente foram realizadas, sendo que o sistema que apresentou melhor resposta varistora tem em sua composição 1% em mol de cobalto. Porém os sistemas com maiores concentrações de manganês apresentaram menores coeficientes de não-linearidade, além do que, a adição de óxido de crômio elevou em muito a tensão de ruptura. Análises de medidas elétricas das amostras após tratamento térmico em atmosferas oxidante e redutora, sugerem que o oxigênio adsorvido na interface do contorno de grão é a principal fonte de portadores de carga responsáveis pelo comportamento não linear dos varistores á base de SnO2.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:10:20Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5719.pdf: 12096641 bytes, checksum: c23f2ef5018b1d77100f32888481c5cf (MD5) Previous issue date: 2013-09-30 / Universidade Federal de Sao Carlos / This thesis is aimed at one-step microwave sintering at frequencies of 2.45 GHz and 30 GHz and the development of two-step microwave sintering (MW-TSS) at 2.45 GHz of ZnO-based nanostructured semiconductor compositions for application in varistors. The synthesis of nanostructured additives Mn, Cu, Cr, Co and Bi oxides with particles below 100 nm, based on the cationic exchange of soluble salt/polymer was developed and improved. After preparation and conformation, the samples were ultra-rapidly sintered at heating rates of 100 °C/min at 2.45 GHz and 20 °C/min at 30 GHz, both at 10 minutes of holding time, and in the two-step sintering the t2 holding time did not exceed one hour. The MW-TSS technique enabled us to reduce the pure ZnO average grain size from 4.85 (micro) to 2.85 (micro) while increasing density from 96.9% to 97.9%. For the Matsuoka nano composition, sintering at 30 GHz proved more effective, reaching a non-linear coefficient (atto) of 37 and a density of 96.5%. The addition of copper to the composition improved the value of (atto) reaching 71.4 at 2.45 GHz. However, the two-step sintering by microwave permitted a reduction in the average grain size and an increase in the electrical properties, reaching of 40 in the copper-free composition, and with the addition of copper it reached 83 with the breakdown electrical field achieving 14 kV/cm, with average grain size always below 3 μm, and, in the best condition in which the electrical properties were optimized, of merely 1.84. Although the average grain size attained is not located within the nanometric scale, sintering by microwave proved effective in obtaining varistors with excellent electrical properties, achieving finer microstructures when the two-step sintering by microwave technique is applied, with greatly reduced times for both one-step and two-step sintering techniques. The accelerated diffusional processes relative to the possible nonthermal effects caused by the microwave processing were also discussed. / A presente tese teve como objetivo a sinterização por micro-ondas em uma etapa nas frequências de 2,45 GHz e de 30 GHz e o desenvolvimento da sinterização em duas etapas (two-step sintering) por micro-ondas (MW-TSS) em 2,45 GHz de composições semicondutoras nanoestruturadas à base de ZnO para aplicação em varistores. A síntese dos aditivos nanoestruturados dos óxidos de Mn, Cu, Cr, Co, e Bi com partículas inferiores a 100 nm baseada na troca catiônica de sal/polímero solúvel foi desenvolvida e aperfeiçoada. Após a preparação e conformação, as pastilhas foram sinterizadas ultrarrapidamente a uma taxa de aquecimento de 100°C/min a 2,45 GHz e a 20 °C/min a 30 GHz, ambas com patamar de 10 minutos, e, na sinterização em duas etapas, o tempo de patamar t2 não foi superior a uma hora. A MW-TSS possibilitou reduzir o tamanho médio de grão do ZnO puro de 4,85(micro) para 2,85 (micro) e o aumento da densidade, de 96,9% para 97,9%. Para a composição Matsuoka nano, a sinterização a 30 GHz mostrou-se mais efetiva, atingindo coeficiente de não linearidade (atto) de 37 e densidade de 96,5%. A adição de cobre à composição melhorou o valor de (atto) chegando a 71,4 em 2,45 GHz. No entanto, a sinterização em duas etapas por micro-ondas permitiu a redução do tamanho médio de grão e o aumento das propriedades elétricas, atingindo (atto) de 40 na composição sem cobre e, com a adição de cobre, 83 e o campo elétrico de ruptura chegando a 14 kV/cm, com tamanho de grão sempre inferior a 3 (micro) e, na melhor condição em que as propriedades elétricas foram otimizadas, de apenas 1,84 (micro). Embora o tamanho médio de grão atingido não se situe na escala nanométrica, a sinterização por micro-ondas mostrou-se efetiva na obtenção de varistores com excelentes propriedades elétricas, atingindo-se microestruturas mais finas quando a técnica de sinterização em duas etapas por micro-ondas é aplicada em tempos muito reduzidos para ambas as técnicas de uma etapa e duas etapas. Os processos difusionais acelerados relativos aos possíveis efeitos não térmicos causados pelo processamento em micro-ondas foram também abordados.

Neste trabalho estudou-se a influência da adição do SrO no comportamento varistor do TiO2. As concentrações utilizadas de SrO foram: 0,50, 1,00, 1,50 e 2,00 mol %. O processamento empregado foi o método convencional de mistura de óxidos, onde os reagentes foram submetidos ao moinho de bolas para homogeneização, utilizando PVA como agente plastificante. A sinterização, em forno convencional ocorreu nas temperaturas de 1200, 1300 e 1400oC durante 1 h com taxa de aquecimento e resfriamento de 5oC=min. Pelas imagens de MEV foi possível observar a evolução microestrutural das amostras com o aumento da temperatura de sinterização. Relacionando análises de MEV, densidade e dilatometria, foi possível se chegar a uma temperatura de sinterização considerada ideal para aplicação em sistemas varistores de 1400oC. Nas micrografias das amostras sinterizadas a 1400oC foi possível observar uma microestrutura com características morfológicas adequadas para varistores. Juntamente com a análise de EDS, acoplada ao MEV e mapeamento de raios X, identificou-se a presença de Sr na região do contorno de grão das amostras contendo 0,50 e 1,00 mol %, sendo que com a concentração de 1,00 mol % o Sr mostrou-se distribuído de maneira mais uniforme na região do contorno de grão. Para concentrações superiores a 1,00 mol %, ocorre a precipitação do Sr além do contorno de grão, a análise de EDS e mapeamento de raios X aponta além do Sr o O, indicando a formação de SrTiO3. As medidas elétricas em corrente contínua realizadas em temperatura ambiente apontam um melhor coeficiente não linear de 5,50 para composição contendo 1,00 mol % de SrO. Para o modelamento da barreira de potencial tipo Schottky foram realizadas medidas em CC (25 - 200oC), onde encontrou-se uma melhor relação altura/largura de barreira para a composição contendo 1,00 mol % de SrO, sendo proposto um modelo de barreira de potencial. Com as medidas em corrente alternada, foi possível identificar e mensurar a contribuição do grão e do contorno de grão. Também foi realizado tratamento em atmosfera oxidante, onde foi possível obter uma considerável melhora nas propriedades varistoras, a = 8,54, com a adsorção de O2 no contorno de grão. / In this work the influence of SrO in Varistor behavior of TiO2 is assessed. The used concentrations were SrO: 0.50, 1.00, 1.50 and 2.00 mol %. The applied process used conventional method of mixing oxides, where the reactants were subjected to a ball mill for homogenization using PVA as a plasticizer. The sintering was performed in conventional oven temperatures at the temperatures of 1200, 1300 and 1400oC for 1 h with heating and cooling rate of 5oC=min. From the SEM images, it is possible to identify the microstructural evolution of samples while the sintering temperature increases. Using SEM analysis, density and dilatometry, it is possible to obtain the optimal sintering temperature applied for varistors of 1400oC. In micrographs of the sintered samples at 1400oC it is identified a microstructure with suitable morphological characteristics for varistors. By the EDS analysis coupled to SEM X-ray mapping, is identified the presence of Sr in the grain boundary region samples containing 0.50 and 1.00 mol %, and the concentration of 1.00 mol % Sr appears to be more evenly distributed in the grain boundary region For concentrations higher than 1.00 mol %, the precipitation of Sr occurs beyond the grain boundaries, and the analysis of EDS X-ray mapping show points beyond Sr and O, indicating the formation of SrTiO3. The electrical measurements in DC held at room temperature showed an optical non linear coefficient of 5.50 for the composition containing 1.00 mol % of SrO. For the potential barrier modeling type Schottky, measures were carried out in DC (25 - 200oC) where a better height/width barrier was found with the composition containing 1.00 mol % of SrO, being proposed a potential barrier model. In alternating current measurements, it was possible to identify and evaluate the grain and grain boundary contribution. It was also performed treatment in an oxidizing atmosphere, where it was possible to obtain a considerable improvement in the varistor properties, a = 8.54, with adsorption of O2 in the grain boundary.