Caracterização da hexaferrita de bário obtida pelo método cerâmico

Characterization of barium hexaferrite prepared by a ceramic synthesis method

Caracterização da hexaferrita de bário obtida pelo método cerâmico

Characterization of barium hexaferrite prepared by a ceramic synthesis method

R. R. Corrêa^I; C. W. Pachoal^II; W. A. Rocha^I

^IPrograma de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Maranhão, Av. Getúlio Vargas 04, Monte Castelo, S. Luís, MA 65000-000

^IIDepartamento de Física, Universidade Federal do Maranhão, Campus Bacanga, S. Luís, MA. [e-mail]

RESUMO

Este trabalho envolveu a caracterização microestrutural, vibracional e das propriedades dielétricas da hexaferrita de bário obtida pelo método cerâmico. A hexaferrita de bário (BaFe₁₂O₁₉) foi processada por moagem de baixa energia seguida de tratamento térmico. A caracterização estrutural indicou que amostras calcinadas apresentaram a fase desejada. Entretanto, uma fase de impureza (Ba₃Fe₃₂O₅₁) foi observada após a moagem.

Palavras-chave: hexaferrita, caracterização, método cerâmico.

ABSTRACT

This work involved a characterization of the structural, microstructural, vibrational and dielectric properties of barium hexaferrite prepared by a ceramic synthesis method. The barium hexaferrite (BaFe₁₂O₁₉) was processed by low energy ball milling following by heat treatment. The structural characterization indicated that the calcined samples contained the desired phase. However, an impurity phase (Ba₃Fe₃₂O₅₁) was detected after milling

Keywords: hexaferrite, characterization, ceramic method.

INTRODUÇÃO

As hexaferritas de bário têm grande importância para a sociedade moderna porque são componentes de uma variedade de dispositivos eletrônicos usados em meios de gravação magnética, comunicação, geração e distribuição de energia elétrica, aplicação automotiva e equipamentos médicos, além de serem usadas como magneto em purificadores de água eliminando certas impurezas metálicas, separador de minerais paramagnéticos em minérios e direcionamento de feixes de partículas eletricamente carregadas (aceleradores de partículas).

No processamento das ferritas BaM pelo método cerâmico tradicional utilizam-se óxidos e carbonatos onde duas ou três etapas ocorrem para a formação da fase hexaferrita, dependendo do uso do carbonato de bário ou óxido de bário. A segunda etapa é descrita pela formação da fase intermediária monoferrita BaFe₂O₄, a qual tende a reagir com as hematitas restantes para finalmente formar a fase ferrita BaM [1, 2-4]. No processamento pelo método cerâmico utiliza-se o processo de moagem. O objetivo do processo de moagem é a diminuição do tamanho das partículas do material sólido, tendo em vista o aumento da superfície específica para melhorar a velocidade de reação, misturar de um modo mais uniforme os materiais e permitir a obtenção de um material com as características ideais de utilização [5, 6]. O rendimento da moagem é influenciado pelas características da própria matéria-prima, tais como: dimensão e forma inicial das partículas, dureza do material, resistência à compressão, ao choque, estrutura homogênea ou heterogênea, umidade ou higroscopicidade, sensibilidade à variação da temperatura e tendência à aglomeração [7].

Em sistemas como ferritas as propriedades elétricas são uma resposta a fatores tais como método de preparação, temperatura de sinterização, atmosfera de sinterização e composição química [8]. As propriedades elétricas das ferritas policristalinas também são sensíveis a microestrutura. O grão e o limite de grão são os dois principais componentes que determinam a microestrutura e conseqüentemente, as propriedades elétricas [9]. A condução nas hexaferritas é devido ao salto de elétrons entre íons Fe²⁺ e Fe³⁺. A condutividade DC nas hexaferritas aumenta quando a temperatura aumenta [10].

MATERIAIS E MÉTODOS

Os pós de óxido de ferro (Fe₂O₃) e carbonato de bário (BaCO₃) foram homogeneizados e moídos, em moinho de bolas; em duas etapas, uma antes (mistura por 10 min) e outra depois da calcinação (moagem propriamente dita). Os pós secos, foram prensados uniaxialmente na forma de amostras cilíndricas. As variáveis do processo de moagens utilizadas antes da calcinação foram poder de moagem (PM) 4:1 e tempo de mistura (TM) de 10 min. Em seguida os pós misturados foram calcinados a uma temperatura de 1200 ºC para a obtenção da fase desejada. Após a calcinação, o pó obtido foi moído com poder de moagem de 4:1 e tempos de moagens de 5 h e 10 h para obter a diminuição do tamanho das partículas. As amostras foram tratadas termicamente à temperatura de 750 ºC por 1 h. Para caracterização elétrica foi utilizado um impedancímetro Solartron 1260 acoplado a uma interface dielétrica Solartron 1290A. As medidas de espectroscopia Raman foram realizadas em um espectrômetro Jobin-Yvon T64000 em uma configuração de retroespalhamento utilizando um laser Coherent Innova 70 operando nas linhas 514.5 nm como fonte de excitação. Posteriormente, foram feitas as caracterizações estruturais, microestrutural, vibracional e elétrica, das amostras.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

As misturas dos pós dos materiais de partida (BaCO₃ e Fe₂O₃) foram calcinadas à temperatura de 1200 ºC. Os difratogramas obtidos após calcinação são mostrados.

Os resultados mostram que após calcinação a 1200 ºC por 1 h ocorreu transformação de fase, sendo obtida a fase de hexaferrita de bário BaFe₁₂O₁₉.

Os difratogramas dos pós obtidos com PM 4:1 e moídos 15 h são mostrados na Fig. 2.

A amostra obtida com PM 4:1 após moagem apresentou além da fase hexaferrita de bário a fase Ba₃Fe₃₂O₅₁.

É apresentada na Fig. 3 a micrografia da amostra em pó calcinada a 1200 ºC obtida com PM 4:1.

A amostra apresenta uma microestrutura com distribuição do tamanho de partículas heterogênea e com aglomerados devido ao aumento do tempo de moagem que reduziu o tamanho das partículas e aumentou a área específica. Observa-se que partículas de tamanhos menores de 200 nm foram obtidas.

A Fig. 4 mostra os espectros Raman obtidos para as amostras da BaM.

O espectro é muito similar aquele obtido na literatura para a BaM, ratificando a fase magneto-plumbita. Também é possível observar que tanto o poder de moagem como o tempo de moagem não levaram a discrepâncias significativas nos espectros, o que corroborada a análise de tamanho de grão. O ajuste dos espectros apresentou todos os principais modos da BaM.

A Fig. 5 mostra diagramas de impedância das amostras de BaM moídas na razão de 4:1 por 10 h para várias temperaturas.

Para altas temperaturas a divisão entre grão e contorno de grão no espectro é mais clara. Novamente, a relaxação devido ao grão tem a freqüência incrementada quando a temperatura cresce, até desaparecer para altas temperaturas. As energias de ativação para os processos de relaxação, calculadas foram de 0,24 eV e 0,68 eV para o grão e o contorno de grão, respectivamente.

CONCLUSÕES

Foi sintetizada pelo método cerâmico e caracterizada a hexaferrita de bário. O procedimento permitiu estabelecer parâmetros, tais como poder de moagem e temperatura de calcinação, que influenciaram as características físicas e microestruturais, e que determinam um limite de propriedades que podem ser influenciadas pela microestrutura. A fase de interesse (BaFe₁₂O₁₉) foi obtida após calcinação, embora a fase Ba₃Fe₃₂O₅₁ tenha aparecido na microestrutura, possivelmente devido à temperatura de calcinação e composição estabelecida na estequiometria. Os espectros Raman obtidos à temperatura ambiente foram praticamente os mesmo para todas as amostras, confirmando a fase magneto-plumbita como fase dominante, sendo os modos mais importantes observados. A relaxação associada à transferência de elétrons entre os íons Fe²⁺ e Fe³⁺ foi observada nas perdas através de uma para freqüências da ordem de 100 kHz. Para altas temperaturas foi possível distinguir entre os arcos devidos ao grão e ao contorno de grão. Foi observado que a contribuição de contorno de grão diminuiu consideravelmente à medida que a temperatura aumentou. Com isso, foi possível separar as contribuições dos grãos e dos contornos de grão. A resistência do grão diminui com o aumento da temperatura, mostrando o caráter semicondutor da hexaferrita de bário. Para PM = 4:1, a resistência elétrica decresce exponencialmente com uma energia de ativação de 0,28 eV, enquanto que a resistência dos contornos de grão diminui com energia de ativação de ~ 0,79 eV.

AGRADECIMENTOS

Ao CNPq, ao IFMA e a UFMA pelo incentivo à pesquisa

Rec. 16/07/2012

Ac. 22/04/2013

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  19 Nov 2013
• Data do Fascículo
  Set 2013

Histórico

• Recebido
  16 Jul 2012
• Aceito
  22 Abr 2013