A formação e o estágio atual do grupo de materiais cerâmicos (GPMC) da UEPG

Formation and ongoig research at the Ceramic Materials Group - GPMC - of the State University of Ponta Grossa, PR

A formação e o estágio atual do grupo de materiais cerâmicos (GPMC) da UEPG

(Formation and ongoig research at the Ceramic Materials Group – GPMC –

of the State University of Ponta Grossa, PR)

S. A. Pianaro, S. R. M. Antunes, A. J. Zara, A. C. Antunes

Centro Interdisciplinar de Pesquisas em Materiais

Grupo de Materiais Cerâmicos

Universidade Estadual de Ponta Grossa

Av. Carlos Cavalcanti, 4748, Uvaranas, Ponta Grossa, PR, 84030-000

tel.: [phone]

e-mail: [e-mail]

Resumo

Dentro da área de materiais, a Universidade Estadual de Ponta Grossa possui um Centro Interdisciplinar de Pesquisas em Materiais, do qual o grupo de materiais cerâmicos faz parte. O grupo é coordenado pelo professor Sidnei Antônio Pianaro e conta com mais 9 pesquisadores e, atualmente, com 18 alunos de iniciação científica. A principal linha de pesquisa desenvolvida é na área de cerâmica eletrônica, podendo destacar as pesquisas em varistores a base de SnO₂. Além destas pesquisas, estão sendo desenvolvidos projetos nas linhas de pigmentos, vidrados, vitro-cerâmicas e reciclagem de materiais cerâmicos.

Palavra-chave: cerâmicas eletrônicas, SnO₂

Abstract

The group of ceramic materials belongs to the Center for Interdisciplinary Research on Materials of the State University of Ponta Grossa, Paraná. The group, with more than nine researchers and eighteen undergraduate students is directed by Prof. S. A. Pianaro. The main research area is in electronic ceramics with emphasis in SnO₂ varistors. Besides, some research work is performed on pigments, glass-ceramics and reuse of ceramic materials.

Keywords: electronic ceramics, SnO₂

INTRODUÇÃO

O grupo de pesquisas em materiais cerâmicos (GPMC) foi formado em 1994, com a interação dos professores dos Departamentos de Engenharia de Materiais e de Química. Atualmente, são ao todo dez professores/pesquisadores que fazem parte deste grupo interdepartamental e interdisciplinar. O início das pesquisas foi bastante difícil porque a instituição não dispunha de equipamentos adequados. Ao final de 1994, pelo apoio financeiro da FINEP/PADCT II - Novos Materiais, foi possível a implementação de uma infra-estrutura básica de pesquisa e desenvolvimento em cerâmicas eletrônicas. Com a contrapartida da UEPG ao projeto, implantou-se o Centro Interdisciplinar de Pesquisas em Materiais (CIPEM)- Laboratório de Materiais Cerâmicos. O CIPEM tem como objetivos desenvolver projetos de pesquisas de caráter científico-tecnológico na área de Engenharia e Ciências dos Materiais, apoiar as indústrias de base tecnológica e outras instituições, e formar recursos humanos qualificados.

As linhas de pesquisa do Laboratório de Materiais Cerâmicos são: Cerâmicas eletro-eletrônicas, pigmentos, vidrados, vitro-cerâmicas e reciclagem de materiais cerâmicos. Dentre as pesquisas desenvolvidas pelo grupo destacam-se as realizadas na preparação e caracterização de varistores cerâmicos [1-6].

PRINCIPAIS LINHAS DE PESQUISA

Cerâmica eletrônica

Estão sendo desenvolvidos projetos em varistores a base de SnO₂, sensores de temperatura do tipo NTC a base de NiO-CoO, sensores de gases inflamáveis na forma de compactos e filmes finos de SnO₂ e, mais recentemente, iniciou-se projetos na área de cerâmicas termoelétricas.

Pigmentos, Vidrados e Vitro-cerâmicas

Desenvolvimento de formulações de vidrados atóxicos para baixas temperaturas, pigmentos a base de sistemas com estrutura espinélio e vitrocerâmicas do sistema SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅.

Reciclagem de Rejeitos Cerâmicos

Seleção e caracterização de rejeitos industriais e sua utilização na formulação de massas cerâmicas para a fabricação de pisos de alta resistência mecânica e baixa absorção de água, reutilização de rejeitos de produção e reciclagem de vidros.

INFRA-ESTRUTURA e RECURSOS HUMANOS

O Laboratório de Materiais Cerâmicos possui a seguinte infra-estrutura: laboratório de síntese; de sinterização; de cominuição; de caracterização físico-química e de caracterização elétrica, totalizando aproximadamente 480 m².

Os principais equipamentos instalados nestes laboratórios são: análise térmica diferencial e termogravimetrica até 1500^oC; granulômetro a laser (0,3 a 400 mm); analisador de área superficial específica; porosímetro de mercúrio (1500 psi); fotômetro de emissão de chama; espectrofotômetro na região do UV-vísivel; impedâncimetro (0,01 Hz a 32 MHz), medidas de condutividade térmica a laser e fonte de corrente contínua para caracterização elétrica.

Na Tabela I, são listados os pesquisadores do grupo, titulação e o Departamento a que pertencem.

Além dos professores pesquisadores, fazem parte do grupo, atualmente, 18 alunos de iniciação científica. A formação de recursos humanos em pós-graduação, será possível, em breve, com a implantação do Mestrado em Engenharia e Ciência dos Materiais, recentemente aprovado na instituição.

PRINCIPAIS RESULTADOS DE CERÂMICAS DENSIFICADAS A BASE DE SnO₂ PARA UTILIZAÇÃO COMO VARISTORES

Até pouco tempo, a importância tecnológica de cerâmicas à base de SnO₂ era voltada, quase que exclusivamente, na fabricação de detectores de gases inflamáveis, devido a baixa densificação deste óxido, mesmo em altas temperaturas. Mais recentemente, alguns artigos científicos relataram a possibilidade de densificação do SnO₂ pela adição de dopantes [7-8]. Entretanto, estas pesquisas não apontaram nenhuma importância tecnológica relevante para estes novos materiais. Aproveitando a experiência prévia do grupo, principalmente em caracterização elétrica e processamento, foram desenvolvidos diversos sistemas cerâmicos a base de dióxido de estanho e caracterizados eletricamente. Assim como no trabalho originalmente desenvolvido [1], foram preparados novos sistemas varistores de SnO₂, com excelentes propriedades elétricas.

Entre os sistemas desenvolvidos podemos destacar: SnO₂.Nb₂O₅.CoO.Cr₂O₃, SnO₂.Nb₂O₅.CoO.La₂O₃, SnO₂.Ta₂O₅.CoO.Cr₂O₃. O comportamento elétrico destes novos varistores podem ser comparados com o do sistema à base de ZnO, desenvolvido em 1971 [9].

Na Fig. 1, são apresentadas as curvas características para dois sistemas varistores, um a base de ZnO e outro a base de SnO₂, pode se constatar que o comportamento elétrico do dois sistemas é bastante similar; entretanto, o varistor de ZnO é um sistema polifásico sendo, a sua microestrutura constituída por uma fase predominante, ZnO e por várias outras fases secundárias. Estas fases são formadas por mecanismos complexos durante a sinterização do material e desempenham papel importante na formação da microestrutura do varistor e, consequentemente, nas suas propriedades elétricas. Por outro lado, os varistores de SnO₂ são monofásicos, isto significa que somente a segregação e/ou formação de solução sólida dos dopantes com o SnO₂ é que controlam as propriedades elétricas do material.

Dentre as novas formulações, pode-se citar a substituição do óxido de cromo por óxido de lantânio ao sistema original, o que resultou numa diminuição sensível da corrente de fuga do varistor (Fig. 2).

Um outro sistema que deve ser ressaltado é o SnO₂.CoO.Ta₂O₅.Cr₂O₃. Verificou-se que a substituição do Nb₂O₅ por Ta₂O₅ não modifica bruscamente o comportamento elétrico do varistor. Foram caracterizadas microestruturas monofásicas com tamanho médio de grão ao redor de 5 mm (Fig. 3).

Outros métodos de preparação de pós estão sendo utilizados, dentre eles, o método de precursores poliméricos (Pechini) e o da impregnação. O sistema SnO₂.CoO.Nb₂O₅ processado pelo método Pechini tem tensão de ruptura de 1035 V/cm (Fig.4), um valor muito baixo quando comparado aos processos convencionais de misturas de óxidos.

A Tabela II apresenta os principais parâmetros elétricos obtidos dos sistemas estudados.

Para se verificar a estabilidade (degradação) dos varistores a base de SnO₂, inicialmente, foi realizado o estudo do sistema SnO₂.CoO.Nb₂O₅.Cr₂O₃, obtido por misturas de óxidos. O compacto cerâmico foi submetido a uma tensão de 80% da tensão de ruptura e a temperatura de 196 ^oC, a corrente foi medida em intervalos de tempo determinados (Fig. 5). Comparando-se o valor obtido com os varistores de ZnO, (10^-13 cm²s^-1) verifica-se que o coeficiente de difusão do estanho intersticial está próximo do coeficiente de difusão intersticial do Zn_i em varistores de ZnO, indicando que o processo de difusão intersticial é válido para os varistores de SnO₂. O mecanismo de degradação dos varistores de SnO₂, provavelmente, é governado por difusão intersticial. Os parâmetros obtidos para avaliação da vida útil destes varistores, indicam que, como nos varistores de ZnO [10], a variação da corrente com o tempo é muito pequena, sendo que a taxa constante K_T é da ordem de 10^-3mA.min^1/2.

CONCLUSÃO

A proposta de criação e desenvolvimento de um centro de pesquisa com profissionais que atuam na área de cerâmica na região de Ponta Grossa tornou-se uma realidade, e atualmente este grupo de pesquisadores trabalha com perspectivas mais amplas, no intuito de formação e consolidação de parcerias com Indústrias, Instituições de Pesquisa e Universidades.

AGRADECIMENTOS

LIEC-UFSCar, UNESP-Araraquara, FINEP e CNPq.

REFERÊNCIAS

[1] S. A. Pianaro, P. R. Bueno, E. Longo, e J. A. Varela, "Composições varistores a base de dióxido de estanho com elevada propriedade não-linear", submetida ao INPI (Instituto Nacional de Propriedade- Brasil) (1996).

[2] S. A. Pianaro, P. R. Bueno, E. Longo, e J. A. Varela, "A new SnO₂-based varistor system", J. Mat. Sci. Lett. 14 (1995) 669.

[3] A. C. Antunes, S. R. M. Antunes, S. A. Pianaro, M. R. Rocha, E. Longo, e J. A. Varela, "Nonlinear electrical behaviour the SnO₂.CoO.Ta₂O₅ system", J. Mat. Sci. Lett. 17 (1998) 577.

[4] S. A. Pianaro, E. C. Pereira, L. O. S. Bulhões, E. Longo, e J. A. Varela, "Effect of Cr₂O₃ on the electrical properties of multicomponent ZnO varistors at the pre-breakdown region", J. Mat. Sci. 30 (1995) 133.

[5] A. C. Antunes, S. A. Pianaro, S. R. M. Antunes, E. Longo, e J. A.Varela, "Effect doping on the electrical properties of 0,99SnO₂.0,01CoO ceramic", J. Mat. Sci. (1999), submetido.

[6] S. A. Pianaro, P. R. Bueno, E. Longo, e J. A. Varela, "Microestructure and electrical properties of a SnO₂- based varistor", Ceramics International 25, 1 (1999).

[7] M. Zaharescu, S. Mihaiu, S. Zuca e K. Matiasovisky, "Contribuition to the study of SnO₂-based ceramics. Part I High-temperature interactions of tin (IV) oxide with antimony (III) oxide and copper (II) oxide" J. Mat. Sci. 26 (1991) 1666.

[8] J. A. Cerri, E. R. Leite, D. Gouvêa, E. Longo e J. A. Varela, "Effect of cobalt (II) oxide and manganese (IV) oxide on sintering of tin (IV) oxide", J. Am. Ceram. Soc. 79, 3 (1996) 799.

[9] M. Matsuoka, "Nonohmic properties of zinc oxide ceramics", J. Appl. Phys. 10, 6 (1971) 736.

[10] T. K. Gupta, "Application of zinc oxide varistors", J. Am. Ceram. Soc. 73, 7 (1990) 1817.

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  05 Maio 2000
• Data do Fascículo
  Jul 1999