Síntese e caracterização da hexaferrita de bário tipo m dopada com lantânio e sódio para utilização como absorvedor de microondas

Synthesis and characterisation of lanthanum and sodium doped m type barium hexaferrite to be used as microwave absorber

Síntese e caracterização da hexaferrita de bário tipo m dopada com lantânio e sódio para utilização como absorvedor de microondas

Synthesis and characterisation of lanthanum and sodium doped m type barium hexaferrite to be used as microwave absorber

R. C. Lima^I,II; J. C. S. Leandro^I; T. Ogasawara^II

^IInstituto de Pesquisas da Marinha - IPqM, Rua Ipiru s/n, Praia da Bica, Ilha do Governador, Rio de Janeiro, RJ, 21931-090

^IIUniversidade Federal do Rio de Janeiro, PEMM - COPPE, Ilha do Fundão, Cidade Universitária, Bloco F, Rio de Janeiro, RJ, [e-mail]

RESUMO

Hexaferrita de Bário, dopada com lantânio e sódio, foi obtida pelo processo de mistura de óxidos. A composição utilizada foi Ba_0,8La_0,1Na_0,1Fe₁₂O ₁₉. Este trabalho teve como objetivo reduzir o valor da freqüência de ressonância da hexaferrita de bário tipo M de modo que a mesma possa absorver microondas na faixa de freqüência de 8 a 16 GHz. Para se investigar a fase obtida, o material foi submetido a difração de raios X. A morfologia das partículas foi verificada pela técnica de microscopia eletrônica de varredura. Suas propriedades magnéticas e de absorção de microondas foram estudadas utilizando-se o magnetômetro de amostra vibrante e guia de ondas, respectivamente.

Palavras-chave: hexaferrita de bário, absorvedor de microondas, mistura de óxidos.

ABSTRACT

Lanthanum and sodium doped barium hexaferrite was obtained by the mixed-oxide technique. The composition was Ba_0,8La_0,1Na_0,1Fe₁₂O ₁₉. The aim of this work was to reduce the resonance frequency value of barium hexaferrite in order to be used as microwave absorber material, in the 8-16 GHz frequency range. The analysis of phases was carried out by X-ray diffraction. Particle's morphology was studied by scanning electron microscopy (SEM). Magnetic and microwave absorption properties were evaluated by using a vibrating sample magnetometer and a waveguide measurement set-up.

Keywords: barium hexaferrite, microwave absorption, mixed-oxide technique.

INTRODUÇÃO

A supressão de microondas refletidas por estruturas metálicas encontra importantes aplicações civis e militares. A estratégia de defesa naval utiliza dispositivos que possibilitam a detecção de um alvo por meio de radar. De modo a dificultar ou minimizar tal detecção foram criadas técnicas apropriadas que incluem o emprego de materiais absorvedores de microondas (RAM – Radar Absorbing Materials) sempre objetivando uma redução da seção reta radar (RCS - Radar Cross Section) de plataformas navais. Estes materiais têm encontrado outras aplicações que incluem o emprego como revestimentos de câmaras anecóicas, em blindagem eletromagnética, na remoção de imagens "fantasmas" de televisores, dentre outras [1].

O emprego de RAM's tornou-se um dos campos mais fascinantes da engenharia de materiais embora ainda represente um grande desafio [2]. Um RAM é constituído por compostos, com elevada perda de energia, que absorvem a radiação incidente em freqüências sintonizadas e dissipam a energia absorvida sob a forma de calor [2]. A faixa de freqüência estudada neste trabalho foi de 8 a 16 GHz.

As ferritas são materiais cerâmicos que podem absorver a radiação eletromagnética na faixa de microondas, pois geram uma perda de energia, que neste caso, atua de forma construtiva [3].

Estes materiais utilizados, em geral, para obtenção de compósitos com borrachas, cerâmicas e em formulações de tintas, podem ser aplicados sob a forma de spray ou rolo e necessitam de uma agitação constante, uma vez que as partículas de ferrita são pesadas e, desta forma, tendem a sedimentar [4].

Algumas substituições em hexaferritas foram realizadas com o objetivo de utilizá-las como absorvedores de microondas. São encontrados, em maior número, substituições realizadas no lugar do íon Fe³⁺. Segundo a literatura [5] o campo anisotrópico da hexaferrita de bário BaFe₁₂O₁₉ pode variar entre 160 a 8000 kAm^-1 pela substituição parcial do Fe³⁺ na rede cristalina, resultando em uma variação da freqüência de ressonância ferrimagnética do material.

É sabido, pela literatura, que a substituição do Fe³⁺ pelo Al³⁺ aumenta o campo anisotrópico enquanto uma combinação de íons metálicos como Co²⁺ e Ti⁴⁺ promove uma redução deste campo.

A substituição do Fe³⁺ pelo Co²⁺ e Ti⁴⁺ torna possível a utilização dessas ferritas como absorvedores de microondas em diferentes faixas de freqüência, simplesmente variando o grau de substituição [6]. A adição do Sc³⁺, que substitui íons Fe³⁺, reduz a sua freqüência de operação para valores ainda mais baixos que a hexaferrita de bário dopada com Co e Ti [7], como pode ser observado na Fig. 1.

Observou-se também que a redução do valor do campo anisotrópico, nesses materiais, está associada a uma redução no valor do campo coercitivo, Hc. De forma que como a medida do campo anisotrópico de um material é extremamente complicada, optou-se pela medida de Hc para o monitoramento da redução da freqüência de operação da hexaferrita de Ba.

Na Tabela I encontram-se algumas das principais possíveis substituições catiônicas em hexaferrita de bário Ba_1-xA_x^k+Fe_12-y B_y^l+ O₁₉ [8].

MATERIAIS E MÉTODOS

Na Fig. 2 é mostrado o diagrama de blocos para o processo de preparação da hexaferrita dopada com Na e La. Os óxidos e sais dos cátions precursores foram secos, em estufa, a 100 ^oC por 24 horas. Logo em seguida, foram pesados em quantidade estequiométrica para posterior mistura em moinho de bolas por 24 horas, utilizando-se como meio líquido álcool isopropílico. Esse material foi seco, por 24 horas, em estufa a 100 ^oC. Procedeu-se então a calcinação do material, previamente seco, em três temperaturas, quais sejam: 1200 ^oC, 1300 ^oC e 1400 ^oC por 2 horas.

O pó resultante foi submetido a análise de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, magnetometria de amostra vibrante e absorção em guia de ondas.

A hexaferrita de bário não dopada foi obtida de forma similar, sendo porém calcinada a 1200 ^oC.

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Por intermédio da análise de microscopia eletrônica de varredura, Figs. 3 e 4, observou-se sinais de sinterização do pó calcinado a 1400 ^oC, o que não foi observado a 1300 ^oC. Pode-se observar também o formato hexagonal das partículas, característico das hexaferritas. O tamanho das partículas é de aproximadamente 2 mm.

Pela técnica de difração de raios X, observou-se que após tratamento a 1300 ^oC houve completa formação da hexaferrita, como pode ser observado na Fig. 5, que apresenta o difratograma de uma estrutura similar a magnetopumblita, característico da hexaferrita.

A hexaferrita de bário é classificada como sendo um material magnético duro. Com a substituição do íon Ba²⁺ pelos íons La³⁺ e Na¹⁺ ocorre uma tendência de "amolecimento" da mesma. Isto pode ser comprovado verificando-se a curva de histerese desse material. Comparando-se as Figs. 6 e 7, observa-se que houve uma redução no valor do campo coercitivo (Hc) de 3,2 para 1,2 KOe e também no valor da magnetização de saturação (Ms) de ~80 para ~40 emu/g.

A Fig. 8 ilustra as curvas de reflexão da hexaferrita não dopada (BaFe₁₂O₁₉) - N/D e da hexaferrita dopada (Ba_0,8La_0,1Na_0,1Fe₁₂O ₁₉) - D. A hexaferrita de bário não apresenta pico de absorção no intervalo de freqüência de 8 – 16 GHz porém, com a redução do valor do campo coercitivo, devido as substituições de íons Ba²⁺ por íons La³⁺ e Na¹⁺, a mesma certamente reduziu o valor da freqüência de ressonância passando a absorver neste intervalo de freqüência. Apresentou um pico na freqüência de 11 GHz cuja refletividade é de 14 dB. As hexaferritas foram veiculadas em parafina com 80% em peso. As curvas foram traçadas considerando-se amostras com espessura de 2,5 mm.

CONCLUSÕES

Pelas análises de microscopia eletrônica e difração de raios X foi possível concluir que a temperatura de calcinação ideal é 1300 ^oC. A 1200 ^oC a hexaferrita não está totalmente formada e a 1400 ^oC o material começa a ser sinterizado.

A análise no magnetômetro de amostra vibrante revelou que houve uma redução no valor do campo coercitivo (Hc) de 3,2 para 1,2 KOe. Desta forma, o material passou a absorver microondas na faixa de freqüência de 8 a 16 GHz, como foi mostrado pela curva de reflexão obtida através do guia de ondas.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Instituto de Engenharia Nuclear (IEN), pelo fornecimento de óxidos de terras raras.

Rec. 24/06/02,

Ac. 18/10/02

• [1] M. S. Pinho, "Materiais absorvedores de radiação eletromagnética em matrizes de policloropreno", Exame de Qualificação, IMA-UFRJ (2000).
• [2] M. Jafelicci, "Absorvedores de radiação eletromagnética", II Encontro Técnico de Materiais e Química, Rio de Janeiro (1997) 33-37.
• [3] S. C. Gupta, N. Agrawa, "Broad band thin sheet absorbers for S-; C-; X- and Ku- bands", Journal of the IETE 39 (1993) 3, 197-200 .
• [4] S. A. Papoullas, H. S. Wayne, Radar absorber, U. S. Patent 5,147,718 (1992).
• [5] H. Severin, P. J. Z. Stoll, Angew. Phys. 23, 3 (1967) 209-212.
• [6] M. L. Gregori, "Synthesis and characterisation of barium hexaferrite to be used as microwave absorber", Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia de Materiais, Universidade de Sheffield, Inglaterra (1997).
• [7] N. A. Petkov, V. Karpov, "Microwave absorption in Sc- and CoTi- substituted Ba hexaferrite powders", Trans. Magn. 26, 5 (1990).
• [8] R.Valenzuela, "Magnetic ceramics", Instituto de Investigaciones en Materiales, Nacional University of México, Cambridge University Press, Series Editors, Bruce Dumm, Department of Mat. Sci. and Eng.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  27 Maio 2003
• Data do Fascículo
  Mar 2003