Caracterização de dielétricos para sistemas de armazenamento de alta energia e de geração de RF em aplicações aeroespaciais - Lauro Paulo da Silva Neto (2012)
Com a finalidade de se obter uma excelente confiabilidade em circuitos elétricos para aplicações espaciais, este trabalho de dissertação apresenta um sistema de caracterização de dois materiais cerâmicos bastante conhecidos, normalmente usados em componentes eletrônicos: a cerâmica à base de titanato de bário (BT) empregada na construção de capacitores cerâmicos comerciais de alta tensão e a cerâmica PZT empregada como elementos sensores e transdutores em aplicações espaciais. O sistema de caracterização apresentado consiste em determinar os elementos químicos que compõem estas cerâmicas, usando diagnósticos de superfície de materiais tais como EDX e MEV; testar a máxima tensão de ruptura (BD) em condições pulsadas; e checar suas propriedades lineares, o que é feito através da medida de perdas da curva histerese e de sua constante dielétrica (ou capacitância) em função da tensão aplicada, temperatura e frequência. Além do mais, a análise de BD tem sido feita usando-se a estatística gráfica de Weibull para calcular a tensão de BD média do material nos testes pulsados. Basicamente, o ponto chave deste trabalho é checar o uso de PZTs em armazenamento de alta energia, comparando-se as propriedades dielétricas destes materiais com as das cerâmicas BT, as quais têm sido usadas com grande sucesso nesta área até o momento. As cerâmicas elétricas, muito utilizadas como meio dielétrico em capacitores de alta tensão, tem como característica alta constante dielétrica (na faixa de 1000 até 10000) com uma alta rigidez dielétrica (de 100 a 200 kV/cm). Os capacitores cerâmicos apresentam respostas CxV não lineares com variação da capacitância em torno de 50 %, cuja caracteristica é favorável para a construção de linhas de transmissões não lineares (LTNLs) a serem usadas na geração de RF. Porém, esta característica é não desejável em sistemas de armazenamento de alta energia, uma vez que a energia amarzenada no dielétrico do capacitor varia com a diminuição da capacitância, o que pode levar a falhas nos circuitos durante a operação. As cerâmica PZTs, muito empregadas como sensores, podem ser uma boa escolha como meio dielétrico em capacitores de AT em sistemas de armazenamento de alta energia, devido a alta constante dielétrica, em torno de 1000, e com rigidez dielétrica medida de aproximadamente 50 kV/cm. Os resultados da caracterização das cerâmicas PZTs mostraram uma pequena variação da capacitância, da ordem de 17 % comparado com o caso dos capacitores (50 %) perto da tensão nominal, implicando que a energia armazenada no dielétrico do PZT também varia pouco, estando próxima do caso ideal esperado. Finalmente, as cerâmicas PZTs mostram um bom desempenho em condições AC devido ao baixo fator de perdas medido 0,01 a 0,05, dependendo da frequência ajustada, o que signica que elas podem ser aplicadas em LTNLs para a geração de RF de alta potência acima de 200 MHz, apesar de sua baixa não linearidade da ordem de 17 % na máxima tensão aplicada.