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Comportamento elétrico dos materiais cerâmicos – Condutividade
iônica
Estudar o comportamento elétrico e iônico dos materiais cerâmicos
Ver exemplos das aplicações das cerâmicas
ionicamente condutoras.
Objetivos:
Comportamento Elétrico das Cerâmicas
Comportamento Elétrico das Cerâmicas
EXISTE UMA GRANDE DIVERSIDADE DOS MATERIAIS CERÂMICOS :
Maioria são Isolantes; Alguns são semi-condutores;
Poucos são condutores.
Condutividade Elétrica ( )
Condutividade Elétrica ( )
É determinada pelo número de transportadores de cargas (“n”), carga
transportada por cada carregador (“q”) e a mobilidade das espécies transportadoras
(“”), ou “carregadores”.
Condutores Elétricos
Condutores Elétricos
A maioria dos metais, alguns cerâmicos e poucos polímeros (orgânicos) recaem na categoria de CONDUTORES ELÉTRICOS.
A maioria dos materiais CERÂMICOS são
ISOLANTES ELÉTRICOS, bem como os
materiais poliméricos.
Condutores Elétricos
Alguns materiais cerâmicos apresentam comportamento intermediário e possuem um
nível moderado de condutividade e são chamados de
SEMI-CONDUTORES.A maioria deles são CERÂMICAS
COVALENTES
Condutores ElétricosMaterial Resistividade (ohm.cm)
Condutor metálicoCobre 1,7 . 10-6
Ferro 10 . 10-6
Tungstênio 5,5 . 10-6
Semi-condutoresSiC 10B4C 0Ge 40Fe3O4 10-2
IsolantesSiO2 > 1014
Porcelana (Steatita) > 1014
Al2O3 > 1014
Si3N4 > 1014
Teflon 1016
Nylon 1014
Condutividade Eletrônica
Condutividade Eletrônica
Banda de energia está vazia ou cheia a condutividade eletrônica é ZERO.
Banda parcialmente preenchida é chamada
de BANDA DE CONDUÇÃO.
Condutividade Eletrônica
Acontece predominantemente nos metais onde os transportadores são elétrons que se movem através da BANDA DE CONDUÇÃO.
Condutividade Eletrônica
Excitação de um elétron (por um campo elétrico pex.) para a banda de condução
Condutividade Eletrônica
A condutividade eletrônica também aparece em alguns cerâmicos óxidos de metais de
transição (ReO3, CrO
2, TiO e VO) que
possuem uma superposição de orbitais incompletos “d” e “ f” formando a banda de
condução.
Condutividade Eletrônica
Nos isolantes e semi-condutores existe um “GAP” de energia entre a camada mais
externa preeenchida por elétrons (BANDA DE VALÊNCIA COMPLETA) e banda vazia adjacente (BANDA DE CONDUÇÃO).
Condutividade Eletrônica
Nesses materiais esse “GAP” impede o fluxo de elétrons entre a banda de valência e
de condução, não havendo condução eletrônica.
Condutividade Eletrônica
Para um isolante ou mesmo um semicondutor a energia
necessária para excitar um elétron é muito grande normalmente vindo de calor ou luz
Condutividade Eletrônica
ISOLANTES: O “GAP” é muito grande e os elétrons não saltam.
SEMI-CONDUTORES: O “GAP” é pequeno e
os elétrons podem saltar em alta temperatura
e alta voltagem.
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTORES: São materiais covalentes em geral do grupo IV (Si, Ge) e compostos formados
entre os grupos III e V (GaAs, PbTe, PbS).
Para serem úteis em temperatura ambiente devem
ser DOPADOS (Resistividade entre 10-2 e 102 .cm).
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo p
Adicionando-se Al3+ ao Si4+ onde cada íon de
alumínio contém uma valência a menos
quando substitui o silício.Como possuem raios atômicos
semelhantes, grande quantidade de alumínio
pode substituir o silício gerando um vazio
eletrônico equivalente a uma carga positiva.
Condutividade Eletrônica
SEMI-CONDUTOR tipo n
Adicionando-se P5+ ao Si4+ resulta em um
elétron extra que fica livre para a condução.
Condutividade Eletrônica
– Exemplos:
– MOSFET
– IGFET
• O transistor MOSFET (acrônimo de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico. A palavra "metal" no nome é um anacronismo vindo dos primeiros chips, onde as comportas (gates) eram de metal. Os chips modernos usam comportas de polisilício, mas ainda são chamados de MOSFETs. Um MOSFET é composto de um canal de material semicondutor de tipo N ou de tipo P e é chamado respectivamente de NMOSFET ou PMOSFET. Geralmente o semicondutor escolhido é o silício, mas alguns fabricantes, principalmente a IBM, começaram a usar uma mistura de silício e germânio (SiGe) nos canais dos MOSFETs. Infelizmente muitos semicondutores com melhores propriedades elétricas do que o silício, tais como o arsenieto de gálio, não formam bons óxidos nas comportas e portanto não são adequados para os MOSFETs. O IGFET é um termo relacionado que significa Insulated-Gate Field Effect Transistor, e é quase sinônimo de MOSFET, embora ele possa se referir a um FET com comporta isolada por um isolante não óxido.
• O terminal de comporta é uma camada de polisilício (silício policristalino) colocada sobre o canal, mas separada do canal por uma fina camada de dióxido de silício isolante.
Condutividade Eletrônica
– Diodos de
Junção
• Idealmente o díodo comporta-se como um condutor de sentido único:a corrente só pode fluir do ânodo para o cátodo, mas o fluxo de corrente é controlado pela tensão aplicada aos seus terminais
• Os díodos são fabricados com material semicondutor. Tipicamente utiliza-se o silício, embora também se possa utilizar o germânio
• Exemplos de circuitos com díodos:• • Circuitos retificadores• • Circuitos limitadores de tensão• Resultam da junção de silício do tipo-P (silício dopado com
impurezas tri-valentes) com silício do tipo-N (silício dopado com impurezas penta-valentes)
Aplicação dos semicondutores cerâmicos em lâmpadas de LED – Light Emitting Diode
Os LEDs consistem de chips de material semicondutor dopado com impurezas para criar uma junção p-n (diodo). A corrente flui do lado p (anodo) para o lado n (catodo). Elétrons (-) e buracos (+) fluem para a junção com diferentes voltagens (elétrons viajam pela banda de condução e buracos pela banda de valência). Quando um elétron encontra um buraco emite energia na forma de um fóton.
O comprimento de onda da luz emitida, e portanto sua cor, dependem da energia do GAP entre a banda de valência e a de condução
Condutividade Eletrônica
CONCEITO DE ISOLANTE:
Quando a cerâmica não possui elétrons para
a condução (último nível eletrônico está
completo) e um “GAP” muito grande entre a
banda completa e a vazia e tampouco possui
defeitos suficientes (vazios) para possuir
condutividade iônica.
Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
A elevação da temperatura, bem como a
elevação da quantidade de vazios diminui a
resistividade.
Condutividade Eletrônica
ISOLANTE:
Aplicações: isoladores de componentes e
de circuitos elétricos.Como isolantes polarizáveis para
capacitores como: BaTiO3, Al
2O
3, TiO
2
As várias estruturas em forma de bandas possíveis em sólidos
Condutividade Eletrônica
Influência da temperatura:
Com a elevação da temperatura a
condutividade diminui (aumenta a
resistividade), pois com o aumento da
vibração térmica, aumenta o número de
choques entre as partículas. Impurezas e deformações a frio tem efeito
similar.
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
O transportador da carga elétrica é o ÍON
Em geral ocorre nas CERÂMICAS LIGADAS
IONICAMENTE.
Condutividade Iônica
Os íons estão presos pela rede cristalina e pelas ligações químicas e para moverem-se
necessitam de:
ALTA TEMPERATURA (alta vibração térmica
e defeitos)DEFEITOS DE PONTO (interstícios vazios e
vazios na rede)
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
Condutividade Iônica
Controla-se a condutividade iônica pela adição de íons de tamanho semelhante mas valências diferentes (por exemplo Y+3-Itrio ou Sc+3 -escandio) para criar novos defeitos (vazios) do ion que se quer conduzir.
Condutividade Iônica
Por exemplo a adição de CaO em ZrO2.
Onde um íon Ca+2 substitui um íon Zr+4 e
gera um VAZIO de oxigênio.Com isso os oxigênios podem mover-se em
temperaturas baixas quando um campo
elétrico é aplicado.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio: consistem de um tubo de ZrO
2 dopado com CaO e um eletrodo
de platina porosa fora e dentro do tubo.
A pressão de oxigênio interna do sensor
(pO2) é conhecida e a externa não.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio são baseados na equação
Onde E= força eletromotriz, F= cte. de
Faraday, R=cte. Universal dos Gases,
T=temperatura absoluta e pO2 e pO
2' = as
pressões em lados opostos da membrana de
ZrO2.
E=RT4F
⋅ln pO2
pO2 '
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio
Se pO2 = pO
2' então E = 0
Se pO2 ≠ pO
2' então E ≠ 0, quanto maior a
diferença entre as pressões maior a voltagem
medida.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio
Opera em T>600ºC.Aplicações:
Medidores de nível de impurezas (O2) em
cilindros de gases inertesMedida de teores de oxigênio em
processamento de alimentos e embalagens a
vácuo.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
Utilizados para reduzir o consumo de
combustível e emissões poluidoras
(combustão completa).
As concentrações de O2, CO, NOx e
hidrocarbonetos no gás de exaustão são
funções da razão AR/COMBUSTÍVEL da
mistura.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Sensores de Oxigênio para automóveis
O controle de emissão ótimo ocorre para uma
razão de AR/COMBUSTÍVEL de
aproximadamente 15, que é a razão
estequiométrica.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Utiliza uma diferença de potencial aplicado
para forçar os íons de oxigênio a se moverem
por uma membrana de ZrO2 dopado e recoberto
com platina porosa. O O2 entra em contato com
o eletrodo poroso e recebe 4 e- para formar
íons O2-.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Bombas extratoras de oxigênio
Pode obter oxigênio com uma pureza de
99,999%; (Célula de Concentração de Oxigênio)Pode ser removido de outro gás como na
purificação final do Nitrogênio ou Argônio.
(Célula de Extração do Oxigênio)Controle das pressões parciais em misturas
de gases.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Utilizando uma célula de eletrolítica de zircônia
sólida são decompostos os SOx (SO2, SO
3) e os
NOx (NO2, NO
3).
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
SOx (SO2, SO
3) e os NOx (NO
2, NO
3) são
compostos nocivos ao meio ambiente.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Purificação de Efluentes Gasosos
Em uma determinada temperatura e voltagem as
moléculas se decompõem em íons.Os íons de oxigênio são separados das
moléculas conduzidos ionicamente pela
membrana de ZrO2.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
Células de Combustível de Óxidos sólidos
Operada em temperaturas entre 900 e 1000ºC.
Grande diferenças de pressão de oxigênio entre o lado
externo (ar - alta) e lado interno (combustível - baixa) da
membrana de ZrO2 dopada.
Os íons de oxigênio difundem pela membrana, deixando
elétrons do lado de fora, e combinam-se com o
hidrogênio do combustível, do outro lado da menbrana.
Aplicações das Cerâmicas ionicamente condutoras
– Células de Combustível de Óxidos sólidos
– Possuem eficiência
próxima a 80%, contra
25 a 35% dos motores
de combustão interna.
SITES
www.advceramics.com
www.dynacer.com
www.metaltech.com.br - sonda lambda
www.faenquil.br - sonda lambda
www.techmat.com.br
www.ngkntk.com.br
www.ceram.com
www.abceram.org.br