Preparação e caracterização microestrutural de cerâmicas ferroelétricas de Ba0,77Ca0,23TiO3

Preparation and microstructural characterization of Ba0.77Ca0.23TiO3 ferroelectric ceramics

Resumos

Cerâmicas de titanato de bário e cálcio com composição Ba0.77Ca0.23TiO3 (BCT23) foram produzidas usando o método de síntese por reação de estado sólido. Um estudo sistemático de temperatura e tempo de calcinação foi realizado com o objetivo de se determinar as condições experimentais ótimas para a obtenção da fase única BCT23. Observou-se a presença das fases BaTiO3 e CaTiO3 para os pós calcinados em temperaturas inferiores a 1200 ºC e tempo de até 12 horas. Um aumento na temperatura para 1250 ºC leva a formação da fase BCT23. Os pós calcinados a 1250 ºC foram prensados uniaxialmente em diferentes condições e sinterizados a 1450 ºC / 4h. Verificou-se que o método utilizado para a preparação dos compactos influenciou na microestrutura e densidade relativa das cerâmicas. Cerâmicas mais densas foram obtidas a partir da prensagem com pressão uniaxial equivalente a 1x10(7) N/m² dos pós de BCT23 peneirados.

BCT; perovskitas; síntese de estado sólido

Barium calcium titanate ceramics with composition Ba0,77Ca0,23TiO3 (BCT23) were prepared by solid state reaction. A systematic study of temperature and time of calcination was performed aiming to determine the experimental conditions to obtain only BCT23 phase. It was only observed the BaTiO3 and CaTiO3 phases at calcination temperature up to 1200 ºC and time up to 12 h. However, it was possible to obtain the BCT23 phase by increasing the temperature to 1250 ºC for 12 h. The powders calcined at 1250 ºC for 12 h were uniaxially pressed at different conditions and sintered at 1450 ºC / 4h. The method utilized to prepare the compacts influenced on the microstructure and relative density of the ceramics. Denser ceramics were obtained by pressing a BCT23 powder with 1x10(7) N/m².

BCT; perovskite; solid state synthesis

Preparação e caracterização microestrutural de cerâmicas ferroelétricas de Ba_0,77Ca_0,23TiO₃

Preparation and microstructural characterization of Ba_0.77Ca_0.23TiO₃ ferroelectric ceramics

T. Mazon; C. E. B. Silvério; A. C. Hernandes

Grupo Crescimento de Cristais e Materiais Cerâmicos Centro Multidisciplinar para o Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos Instituto de Física de S. Carlos, Universidade de S. Paulo C.P. 369, 13560-970, S. Carlos, SP [e-mail]; [e-mail]

RESUMO

Cerâmicas de titanato de bário e cálcio com composição Ba_0.77Ca_0.23TiO₃ (BCT23) foram produzidas usando o método de síntese por reação de estado sólido. Um estudo sistemático de temperatura e tempo de calcinação foi realizado com o objetivo de se determinar as condições experimentais ótimas para a obtenção da fase única BCT23. Observou-se a presença das fases BaTiO₃ e CaTiO₃ para os pós calcinados em temperaturas inferiores a 1200 ºC e tempo de até 12 horas. Um aumento na temperatura para 1250 ºC leva a formação da fase BCT23. Os pós calcinados a 1250 ºC foram prensados uniaxialmente em diferentes condições e sinterizados a 1450 ºC / 4h. Verificou-se que o método utilizado para a preparação dos compactos influenciou na microestrutura e densidade relativa das cerâmicas. Cerâmicas mais densas foram obtidas a partir da prensagem com pressão uniaxial equivalente a 1x10⁷ N/m² dos pós de BCT23 peneirados.

Palavras-chave: BCT, perovskitas, síntese de estado sólido.

ABSTRACT

Barium calcium titanate ceramics with composition Ba_0,77Ca_0,23TiO₃ (BCT23) were prepared by solid state reaction. A systematic study of temperature and time of calcination was performed aiming to determine the experimental conditions to obtain only BCT23 phase. It was only observed the BaTiO₃ and CaTiO₃ phases at calcination temperature up to 1200 ºC and time up to 12 h. However, it was possible to obtain the BCT23 phase by increasing the temperature to 1250 ºC for 12 h. The powders calcined at 1250 ºC for 12 h were uniaxially pressed at different conditions and sintered at 1450 ºC / 4h. The method utilized to prepare the compacts influenced on the microstructure and relative density of the ceramics. Denser ceramics were obtained by pressing a BCT23 powder with 1x10⁷ N/m².

Keywords: BCT, perovskite, solid state synthesis

INTRODUÇÃO

O titanato de bário cálcio (Ba_1-xCa_xTiO₃ - BCT) é um material ferroelétrico com estrutura perovskita a temperatura ambiente e está sendo muito pesquisado por apresentar excelentes propriedades físicas. O BCT apresenta temperatura de transição de fase ferro/paraelétrica a 98º C. A adição de cálcio aumenta o comportamento eletromecânico, os coeficientes eletro-ópticos do material e o intervalo de temperatura de estabilidade da fase tetragonal, evitando uma transição de fase tetragonal-ortorrômbica em temperaturas maiores que -120º C [1-3]. Outra vantagem deste material está na possibilidade de preparar capacitores cerâmicos de multicamadas de BCT com eletrodos de baixo custo, tal como níquel, sem perder o bom desempenho dielétrico [4].

Alguns pesquisadores [5, 6], no entanto, têm observado que o comportamento da transição de fase ferro/paraelétrica está diretamente relacionado com a preparação da cerâmica BCT. Particularmente, Pandey e colaboradores [6] reportaram que cerâmicas de BCT com controle da estequiometria dos íons Ba²⁺ e Ca²⁺ somente são obtidas a partir do método de co-precipitação dos precursores (Ba,Ca)CO₃ e TiO₂. Segundo eles, a preparação de cerâmicas de BCT pelo método de síntese convencional do estado sólido é inviável, pois este método não garante uma boa homogeneidade estequiométrica do cálcio. No entanto, os autores não se preocuparam em obter o mesmo tamanho de grãos nos pós de BCT preparados pelos dois métodos. O tamanho de grão obtido na amostra preparada por síntese convencional de estado sólido foi 4 vezes maior que o obtido para o pó preparado pela rota de co-precipitação. Como a não homogeneidade estequiométrica do cálcio é resultante de limitações difusionais, o maior tamanho de grão obtido no pó preparado por síntese do estado sólido pode ter favorecido a obtenção de uma mistura não homogênea.

Neste trabalho estabelecemos uma rota de processamento para a produção de cerâmicas densas de Ba_0,77Ca_0,23TiO₃ (BCT23) com composição estequiométrica, usando o método de síntese por reação do estado sólido, e efetuamos a sua caracterização microestrutural em função dos parâmetros experimentais de processamento.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

O titanato de bário e cálcio foi preparado com a composição Ba_0,77Ca_0,23TiO₃ (BCT23), a partir dos precursores BaCO₃ (Merck, 99% de pureza), CaCO₃ (Riedel-de Haën, 99% de pureza) e TiO₂ (AlfaAESAR, 99,9% de pureza). O fluxograma da preparação é apresentado na Fig. 1.

Quantidades apropriadas dos precursores foram pesadas e moídas por 96 horas em moinho de bolas, usando bolas de ZrO₂ (com tamanho 0,94 mm) e álcool isopropílico como solvente para o meio de moagem. A moagem teve por finalidade diminuir efetivamente o tamanho das partículas. Em seguida os pós foram calcinados em forno tipo mufla em diferentes condições de temperatura, visando a obtenção da fase única BCT23.

O pó calcinado a 1250 ºC por 12 h, o qual apresentou apenas a fase BCT, foi novamente moído por 96 h em álcool isopropílico, prensado uniaxialmente e os compactos obtidos foram sinterizados a 1450 ºC por 3 h. Com a finalidade de obter cerâmicas densas e verificar a influência da pressão utilizada em sua densificação, os compactos foram prensados basicamente em três condições:

(a) Prensagem uniaxial do pó em prensa hidráulica com pressão equivalente a 1x10⁸ N/m².

(b) Prensagem uniaxial do pó com pressão equivalente a 1x10⁷ N/m² .

(c) Prensagem uniaxial do pó peneirado em peneira com abertura de 100 mesh, com pressão equivalente a 1x10

⁷ N/m

².

Após a moagem da mistura dos precursores, a distribuição do tamanho de partículas e o tamanho médio de partículas foram obtidos por sedigrafia (Micromeritics Sedigraph modelo 5100) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) (DSM 960, Zeiss)

As transformações físicas e químicas do pó sem reagir e do pó reagido foram acompanhadas por análise térmica (TG/ATD) (Netzsch STA 409) no intervalo de temperatura de 25 ºC a 1400 ºC, com taxa de aquecimento de 10 ºC/ min, com atmosfera de ar sintético e alumina como material de referência. Após a análise por TG/ATD, os pós calcinados em diferentes condições de tempo e temperatura foram caracterizados por difração de raios X (DRX) (Rigaku Rotaflex RU-200B), visando determinar a formação de fases cristalinas.

As densidades dos compactos sinterizados foram determinadas pelo método de Archimedes. A microestrutura das cerâmicas foi examinada por MEV (Zeiss-DSM960) da superfície polida e atacada termicamente.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As curvas de TG a ATD obtidas para a mistura dos precursores moídos por 96 h estão apresentadas na Fig. 2. Observamos a presença de uma banda exotérmica até 550 ºC, a qual foi atribuída à perda do álcool isopropílico utilizado durante a moagem, correspondendo a uma perda de massa de 0,3%. Nas curvas de ATD é possível observar, na região entre 580 ºC e 750 ºC uma banda exotérmica referente à decomposição do CaCO₃ e formação da fase CaTiO₃. Os picos endotérmicos a 830 e 990 ºC foram atribuídos à transições estruturais que ocorrem no BaCO₃ [7]. Estas transições estruturais são acompanhadas de perda de massa, referentes à perda de CO₂. A perda de massa total é de 18%. A 1000 ºC não há mais perda de massa, indicando que ocorreu a formação da fase BaTiO₃.

Uma pequena banda exotérmica, sem perda de massa, com o máximo em torno de 1250 ºC, também é observada na curva de ATD (Fig. 2). Como não há mais perda de massa nesta temperatura, esta banda foi atribuída à reação entre CaTiO₃ e BaTiO₃ para formação da fase BCT. Desta forma, o processo para a formação da fase BCT pelo método utilizado pode ser descrito pelas seguintes reações:

A distribuição do tamanho de partículas e os valores de tamanho médio de partículas foram obtidos por sedigrafia e MEV para as amostras moídas por tempos diferentes. Os resultados estão apresentados na Fig. 3. Podemos notar que o tamanho médio das partículas diminui com o aumento do tempo de moagem e o intervalo de distribuição do tamanho de partículas se torna mais estreito. Comparando o tamanho médio de partículas obtidos por sedigrafia e por MEV, observamos que há uma pequena diferença nos valores para as amostras moídas por um tempo maior que 72 h. O tamanho médio de partículas obtido por MEV, para a amostra moída por 96 h está em torno de 0,4 µm, enquanto que o valor obtido por sedigrafia é de 1,5 µm. Esta diferença está relacionada à aglomeração das partículas durante a análise de sedigrafia.

Figura 5

Tamanho de partícula pequeno é um fator fundamental para obter maior reatividade entre os compostos óxidos. Principalmente no caso do BCT, onde composições com mais de 20 mol% de Ca²⁺ precisam de um tempo maior de moagem para garantir que todo Ca²⁺ se distribua de uma maneira homogênea, para favorecer a formação da fase BCT durante a calcinação. O tempo de moagem otimizado neste trabalho foi de 96 h, garantindo a obtenção de fase única de BCT23 e uma estreita distribuição do tamanho de partículas. Nesta condição, o tamanho médio de partículas foi da ordem do obtido por Tiwari e colaboradores[7] utilizando uma rota semi-úmida para preparar pós de BCT.

Os difratogramas de raios X obtidos para os pós de Ba_0,77Ca_0,23TiO₃ calcinados em diferentes condições de tempo e temperatura estão apresentados na Fig. 4. Observa-se a presença das fases BT e CT para temperaturas de calcinação inferiores a 1250 ºC. Um aumento na temperatura e no tempo de calcinação para 1250 ºC por 12 h favoreceu a formação da fase BCT23. A temperatura de calcinação para a obtenção da fase BCT23 neste trabalho foi 100 ºC menor que a citada na literatura [8], quando se utiliza a mesma composição de cálcio. O menor tamanho médio de partículas obtido em nosso processo possibilitou obter resultado semelhante, mas em temperatura mais baixa.

Visando determinar a melhor metodologia de prensagem para obter cerâmicas densas de BCT, o pó calcinado a 1250 ºC por 12 h foi prensado em diferentes condições e sinterizado a 1450 ºC por 4 h. Os resultados de densidades relativas obtidas para os compactos sinterizados estão apresentados na Tabela I e as micrografias obtidas por microscopia eletrônica de varredura para as cerâmicas estão apresentadas na Fig. 4.

A forma de prensagem influenciou diretamente na densidade relativa da cerâmica. A maior densidade relativa foi obtida para o pó peneirado e prensado sob uma pressão uniaxial de 1x10⁷ N/m². A utilização de pressões maiores durante a compactação dos pós leva à formação de defeitos nos compactos, dificultando a densificação dos corpos cerâmicos.

Embora as cerâmicas de BCT apresentassem 98% de densidade relativa, pode-se notar que ocorreu um crescimento exagerado dos grãos e a presença de uma fase tipo vítrea segregada no contorno de grãos (Fig. 4d). Análises por EDX apontam que esta fase é rica em titânio. O crescimento exagerado de grãos e segregação de Ti no contornos de grãos também foram verificados em cerâmicas de BaTiO₃ [10]. Esta fase segregada nos contornos de grãos pode ser prejudicial para as propriedades elétricas do material. Novos trabalhos estão sendo realizados visando a eliminação desta fase.

CONCLUSÕES

Desenvolvemos uma metodologia para a obtenção de cerâmicas densas de BCT23 com alta reprodutibilidade no processo. As condições experimentais otimizadas para a calcinação foram 1250 ºC por 12 h em forno de atmosfera aberta. A rota de preparação dos pós de BCT estabelecida neste trabalho favoreceu a obtenção da fase BCT23 em temperaturas mais baixas que as citadas na literatura. O método de prensagem influenciou na microestrutura e densificação das cerâmicas. Cerâmicas com 98% de densidade relativa foram obtidas a partir do pó peneirado em peneira com abertura de 100 mesh e prensado uniaxialmente com pressão equivalente a 1x10⁷ N/m².

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a FAPESP e ao CNPq pelo apoio financeiro.

Rec. 18/07/03, Ac. 20/02/04

• [1] A. Mazur, C. Veber, O. F. Scirmer, C. Kuper, H. Hesse, Radiat. Eff. Deffect. Sol. 150 (1999) 281.
• [2] H. Veenhuis, T. Boger, K. Peithmann, M. Flaspohler, K. Buse, R. Pankrath, H. Hesse, E. Kratzig, Appl. Phys. B. 70 (2000) 797.
• [3] C. H. Kuper, R. Pankrath, H. Hesse, Appl. Phys. A. 65 (1997) 301.
• [4] J. M. Hebert, Ceramic Dielectrics and Capacitors, Gordon and Breach, New York, London (1985) cap. 6.
• [5] V. S. Tiwari, D. Pandey, P. Groves, J. Phys. D. 22 (1989) 837.
• [6] D. Pandey, V. S. Tiwari, T. B. Singh, L. Pandey, O. Parkash, P. R. Rao, Phase Trans. 9 (1987) 11.
• [7] V. S. Tiwari, N. Singh, D. Pandey, J. Am. Ceram. Soc. 77 (1994) 1813.
• [8] R. C. De Vries, R. Roy, J. Am. Ceram. Soc., 38 (1955) 142.
• [9] W. Z. Black, J. G. Hartley, Thermodynamics SI verson, HarperCollins, New York (1991) 675.
• [10] Y. Yamamoto, Brit. Ceram. Trans. 94, 5 (1995) 196.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  19 Ago 2004
• Data do Fascículo
  Jun 2004

Histórico

• Aceito
  20 Fev 2004
• Recebido
  18 Jul 2003