Obtencaosubstratosdieletricos-FranAaJunior-2020

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE 
CENTRO DE TECNOLOGIA (CT) 
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA (CCET) 
 
 PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E 
ENGENHARIA DE MATERIAIS 
 
 
 
 DISSERTAÇÃO DE MESTRADO 
 
 
Obtenção de substratos dielétricos multicamadas à base de 
silicato de cálcio com inserções de h-BN via tape casting 
 
 
Sergio Augusto Nascimento de França Junior 
 
 
Orientador: 
Prof. Dr. Wilson Acchar 
 
 
 
Janeiro de 2020 
Natal - RN 
 
 
 
 
Sergio Augusto Nascimento de França Junior 
 
 
 
 
 
Obtenção de substratos dielétricos multicamadas à base de 
silicato de cálcio com inserções de h-BN via tape casting 
 
 
 
 
 
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais 
da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 
como parte dos requisitos necessários para a 
obtenção do título de Mestre em Ciência e 
Engenharia de Materiais. 
 
 
Orientador: Prof. Dr. Wilson Acchar 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Janeiro de 2020 
Natal - RN 
 
França Junior, Sergio Augusto Nascimento de.
 Obtenção de substratos dielétricos multicamadas à base de
silicato de cálcio com inserções de h-BN via tape casting /
Sergio Augusto Nascimento de França Junior. - 2020.
 81f.: il.
 Dissertação (Mestrado)-Universidade Federal do Rio Grande do
Norte, Centro de Ciências Exatas e da Terra, Programa de Pós-
Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Natal, 2020.
 Orientador: Dr. Wilson Acchar.
 1. Tape casting - Dissertação. 2. Laminados cerâmicos -
Dissertação. 3. Vitrocerâmicos - Dissertação. 4. h-BN -
Dissertação. 5. Substratos de alta frequência - Dissertação. I.
Acchar, Wilson. II. Título.
RN/UF/BCZM CDU 666.295
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN
Sistema de Bibliotecas - SISBI
Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede
Elaborado por Raimundo Muniz de Oliveira - CRB-15/429
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Dedico este trabalho aos meus pais, Sergio Augusto 
Nascimento de França e Eliene Francisca da Silva 
França, por serem meus maiores incentivadores e por 
todas as batalhas que enfrentaram para que eu 
pudesse chegar até aqui. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Talvez não tenha conseguido fazer o melhor, mas 
lutei para que o melhor fosse feito. Não sou o que 
deveria ser, mas graças a Deus, não sou o que era 
antes.” 
Martin Luther King 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
Agradeço primeiramente a Deus, por me guiar sempre em todas as áreas de minha 
vida, pois sem ele nada eu conseguiria fazer e nada faria sentido. 
Ao meu orientador, professor Dr. Wilson Acchar pela orientação deste trabalho e pelo 
apoio, confiança, discussões e estímulo a mim dedicados. 
Aos meus pais, Sergio França e Eliene França, e meus irmãos, Rafael Lucas e Raiane 
Caroline, por todo apoio durante a elaboração deste trabalho e por sempre me 
incentivarem durante a minha caminhada. 
A minha querida esposa, Ariana Mahara Fernades Nery, por me apoiar, incentivar e 
estar comigo em todos os momentos. 
A professora Dra. Ana Paula da Silva Peres, que estava sempre disposta a me ajudar. 
Agradeço muito pela atenção e incentivo. 
A professora Dra. Sheyla Karolina Justino Marques, pela atenção e incentivo a mim 
dedicados durante a elaboração deste trabalho. 
Aos que fazem parte do Laboratório de Propriedades Físicas dos Materiais 
Cerâmicos (LaPFiMC) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, os quais 
colaboraram direta ou indiretamente na elaboração deste trabalho, dedico a minha 
profunda gratidão. 
Ao Professor Dr. Marcio Assolin Correa e seu orientando Arthur, por terem me ajudado 
com caracterizações que foram primordiais para finalização deste trabalho. 
A UFRN e ao programa de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais, pela 
oportunidade de estar realizando uma pós-graduação com conceito máximo. 
A todos da banca, por terem aceitado o convite. 
A Capes pela bolsa concedida. 
O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de 
Pessoal de Nível Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. 
 
 
 
 
RESUMO 
Nos últimos anos, o considerável progresso das telecomunicações por micro-ondas, 
sistemas de transmissão via satélite e circuitos microeletrônicos densos, resultou em 
uma crescente demanda por novos materiais de baixa perda dielétrica. Os substratos 
cerâmicos, para esses fins, devem ter baixa constante dielétrica e baixa perda 
dielétrica sob altas frequências de operação, além de alta condutividade térmica 
relativa. Em vista disso, o objetivo do presente trabalho foi a obtenção de substratos 
cerâmicos multicamadas de silicato de cálcio com inserções de h-BN (1%, 3% e 5% 
em peso) conformados por tape casting, a fim de avaliar a utilização deles como 
substratos de alta frequência. A viscosidade das suspensões cerâmicas foi analisada 
através de ensaios reológicos e as fitas cerâmicas verdes foram submetidas à análise 
termogravimétrica (ATG). Em seguida, estas fitas foram laminadas em 6 camadas e 
posteriormente sinterizadas em três temperaturas: 950 °C, 1000 °C e 1050 °C. Os 
laminados sinterizados foram caracterizados por difração de raios X, espectroscopia 
Raman, densidade e porosidade e microscopia eletrônica de varredura com emissão 
de campo (MEV-FEG). Por fim, foram obtidas as propriedades dielétricas dos 
laminados verdes e sinterizados. Foram encontrados picos de reflexão referentes às 
fases de wollastonita e cristobalita em todas as composições, bem como um pico 
característico de nitreto de boro hexagonal nas composições contendo h-BN, com 
sobreposição a um pico característico da wollastonita. A espectroscopia Raman 
confirmou as fases que foram encontradas na difração de raios X, com picos 
característicos das fases de wollastonita, cristobalita e h-BN. Os altos valores relativos 
de porosidade aparente encontrados em todas as composições, determinaram os 
baixos valores de constante dielétrica relativa (entre 1,99 e 2,35). De maneira geral, 
as composições obtidas apresentaram baixas perdas dielétricas relativas, 
principalmente nas composições contendo h-BN, e isso foi evidente em uma ampla 
faixa de frequência, de 0,1 GHz a 1,5 GHz. As composições contendo 3 % e 5 % em 
peso de h-BN mostraram perdas dielétricas na ordem de 10-4, possuindo, assim, 
grande potencial para aplicação como substratos de alta frequência. 
Palavras-chave: Tape casting, laminados cerâmicos, vitrocerâmicos, h-BN, 
substratos de alta frequência. 
 
 
 
 
ABSTRACT 
In recent years, considerable progress in microwave telecommunications, satellite 
transmission systems and dense microelectronic circuits has resulted in a growing 
demand for new low dielectric loss materials. Ceramic substrates for these purposes 
should have low dielectric constant and low dielectric loss under high operating 
frequencies, in addition to high relative thermal conductivity. In view of this, the 
objective of the present work was to obtain multilayer calcium silicate ceramic 
substrates with h-BN insertions (1 wt. %, 3 wt. % and 5 wt. %) conformed by tape 
casting in order to evaluate their use as high frequency substrates. The viscosity of 
the ceramic suspensions was analyzed by rheological tests and the green ceramic 
tapes were subjected to thermogravimetric analysis (ATG). these tapes were 
laminated in 6 layers and then sintered at three temperatures: 950 ° C, 1000 ° C and 
1050 ° C. The Sintered laminates were characterized by X-ray diffraction, Raman 
spectroscopy, density and porosity, and field emission scanning electron microscopy 
(SEM-FEG). Finally, dielectric properties of green and sintered laminateswere 
obtained. Reflection peaks concerning wolastonite and cristobalite phases were 
found in all compositions, as well as a characteristic hexagonal boron nitride peak in 
compositions containing h-BN, overlapping a characteristic wollastonite peak. Raman 
spectroscopy confirmed the phases found in X-ray diffraction, with characteristic 
peaks of the wollastonite, cristobalite and h-BN phases. The high relative apparent 
porosity values found in all compositions determined the low relative dielectric 
constant values (between 1.99 and 2.35), In general, the obtained compositions 
showed low dielectric losses, mainly in the samples containing h-BN, and this was 
evident in a wide frequency range, from 0.1 GHz to 1.5 GHz. The Compositions 
containing 3 wt. % and 5 wt. % of h-BN showed dielectric losses in the order of 10-4, 
thus having great potential for application as high frequency substrates. 
 
Keywords: Tape casting, ceramic laminates, vitroceramics, h-BN, high frequency 
substrate. 
 
 
 
 
 
 
________________________________________ 
LISTA DE FIGURAS 
________________________________________ 
 
Capítulo 3 
Figura 1 - Representação de um típico equipamento de tape casting ...................... 21 
Figura 2 - Transição de vidro para vitrocerâmica: a) formação de núcleos, b) 
crescimento de cristais, c) microestrutura de uma vitrocerâmica .............................. 24 
Figura 3 - Alótropos do Nitreto de Boro ..................................................................... 26 
Figura 4 - Rede direta do nitreto de boro hexagonal com a célula unitária destacada.
 .................................................................................................................................. 27 
Figura 5 - Morfologia da superfície de fratura do material cerâmico compósito SiO2 - 
h-BN .......................................................................................................................... 29 
Figura 6 - Capacitor de placas paralelas ideal .......................................................... 31 
Figura 7 - Constante dielétrica relativa em função da porosidade para diferentes 
dielétricos .................................................................................................................. 33 
Figura 8 - Constante dielétrica em função da frequência para um dielétrico hipotético.
 .................................................................................................................................. 36 
 
Capítulo 4 
Figura 9 - Fluxograma dos procedimentos adotados e caracterizações realizadas....37 
 
Capítulo 5 
Figura 10 - Viscosidade em função da taxa de cisalhamento para as composições: 
Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 ..................................................................................... 44 
Figura 11 - Curvas de ATG das fitas cerâmicas verdes: a) Sc, b) ScBN1, c) ScBN3 e 
d) ScBN5 ................................................................................................................... 46 
Figura 12 - Curva de ATG do pó cerâmico de silicato de cálcio ................................ 47 
Figura 13 - Padrão de difração de raios X do pó cerâmico silicato de cálcio ............ 48 
Figura 14 - Padrão de difração de raios X do pó cerâmico de h-BN ......................... 49 
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Figura 15 - Padrões de difração de raios X das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e 
ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 950 °C sob atmosfera de argônio.
 .................................................................................................................................. 50 
Figura 16 - Padrões de difração de raios X das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e 
ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1000 °C sob atmosfera de argônio
 .................................................................................................................................. 51 
Figura 17 - Padrões de difração de raios X das composições Sc, ScBN1, ScBN3 e 
ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1050 °C sob atmosfera de argônio.
 .................................................................................................................................. 51 
Figura 18 - Padrão de difração de raios X da composição Sc sinterizada a 1050 °C e 
as respectivas proporções em peso de wollastonita e cristobalita obtidas através do 
refinamento das fases pelo método Rietveld ............................................................ 53 
Figura 19 - Espectro Raman de uma amostra de composição ScBN1 sinterizada a 
1000 °C utilizando um laser verde de 532 nm ........................................................... 54 
Figura 20 - Imagem de Microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo 
(MEV-FEG) da superfície de fratura das amostras sinterizadas a 950 °C com aumento 
de 5KX: a) Sc; b) ScBN1; c) ScBN3 e d) ScBN5 ....................................................... 58 
Figura 21 - Imagem de Microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo 
(MEV-FEG) da superfície de fratura das amostras sinterizadas a 1000 °C com 
aumento de 5KX: a) Sc; b) ScBN1; c) ScBN3 e d) ScBN5 ........................................ 59 
Figura 22 - Imagem de Microscopia eletrônica de varredura com emissão de campo 
(MEV-FEG) da superfície de fratura das amostras sinterizadas a 1050 °C com 
aumento de 5KX: a) Sc; b) ScBN1; c) ScBN3 e d) ScBN5 ........................................ 59 
Figura 23 - Constante dielétrica em função da frequência para as fitas verdes Sc, 
ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas ................................................. 61 
Figura 24 - Perda dielétrica em função da frequência para as fitas verdes Sc, ScBN1, 
ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas ..............................................................62 
Figura 25 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as 
fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas 
a 950 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em 
função da frequência ................................................................................................. 64 
Figura 26 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as 
fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas 
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a 1000 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em 
função da frequência ................................................................................................. 64 
Figura 27 - Constante dielétrica e perda dielétrica em função da frequência para as 
fitas cerâmicas Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas 
a 1050 °C: a) constante dielétrica em função da frequência; b) perda dielétrica em 
função da frequência ................................................................................................. 65 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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file:///C:/Users/junin/Google%20Drive/Mestrado/Silicato%20de%20cálcio%20e%20h-BN/Dissertação%20de%20mestrado_Sergio.docx%23_Toc30414652
file:///C:/Users/junin/Google%20Drive/Mestrado/Silicato%20de%20cálcio%20e%20h-BN/Dissertação%20de%20mestrado_Sergio.docx%23_Toc30414652
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________________________________________ 
LISTA DE TABELAS 
________________________________________ 
 
Capítulo 4 
Tabela 1 - Reagentes utilizados na preparação das fitas cerâmicas ........................ 38 
Tabela 2 - Componentes, percentuais (% em peso) e composições das quatro 
suspensões produzidas ............................................................................................. 39 
 
Capítulo 5 
Tabela 3 - Valores de densidade aparente, densidade relativa e porosidade das 
composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 
950 °C ....................................................................................................................... 56 
Tabela 4 - Valores de densidade aparente, densidade relativa e porosidade das 
composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 
1000 °C ..................................................................................................................... 56 
Tabela 5 - Valores de densidade aparente, densidade relativa e porosidade das 
composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 
1050 °C ..................................................................................................................... 57 
Tabela 6 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas verdes Sc, 
ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas nas frequências 0,1GHz, 0,5GHz 
e 1GHz ......................................................................................................................63 
Tabela 7 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas 
Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 950 °C nas 
frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz. ...................................................................... 66 
Tabela 8 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas 
Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1000 °C nas 
frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz. ...................................................................... 66 
Tabela 9 - Valores de constante dielétrica e perda dielétrica para as fitas cerâmicas 
Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 laminadas em 6 camadas e sinterizadas a 1050 °C nas 
frequências 0,1GHz, 0,5GHz e 1GHz. ...................................................................... 67 
 
 
Tabela 10 - Valores das constantes dielétrica teóricas e experimentais das 
composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 sinterizadas a 1050 °C .......................... 69 
Tabela 11 - Comparativo entre constante e perda dielétrica de dois materiais da 
literatura obtidos para aplicação dielétrica de alta frequência e o material ScBN5 
sinterizado a 1050 °C obtido no presente trabalho.................................................... 70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
________________________________________ 
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS 
________________________________________ 
 
ATD - Análise Térmica Diferencial 
ATG - Análise Termogravimétrica 
DRX - Difração de raios X 
ICSD - Inorganic crystal structure database 
MEV-FEG - Microscopia Eletrônica de Varredura com Emissão de Campo 
Pt - Polarização total que ocorre em um dielétrico 
Sc - fita cerâmica de silicato de cálcio 
ScBN1 - Fita cerâmica de silicato de cálcio com 1% em peso de h-BN 
ScBN3 - Fita cerâmica de silicato de cálcio com 3% em peso de h-BN 
ScBN5 - Fita cerâmica de silicato de cálcio com 5% em peso de h-BN 
tan (𝛿) - Tangente de perdas 
ε - Constante dielétrica 
ε0 - Constante dielétrica do vácuo 
εr - Constante dielétrica relativa 
ε′r- Parte real da constante dielétrica 
ε′′r- Parte imaginária da constante dielétrica ou perda dielétrica 
MHz - Megahertz 
GHz - Gigahertz 
Si - Silício 
CA - Corrente alternada 
Al2O3 - Alumina ou óxido de alumínio 
AIN - Nitreto de alumínio 
ρá𝑔𝑢𝑎 - Densidade da água 
 
 
 
 
 
 
 
________________________________________ 
SUMÁRIO 
________________________________________ 
 
1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 16 
2. OBJETIVOS ....................................................................................................... 18 
 Objetivo geral ............................................................................................... 18 
 Objetivos específicos ................................................................................... 18 
3. REFERENCIAL TEÓRICO ................................................................................. 19 
 Técnica tape casting .................................................................................... 19 
 Vitrocerâmicas ............................................................................................. 23 
 Nitreto de boro hexagonal (h-BN) ................................................................ 25 
 Propriedades dielétricas dos materiais ........................................................ 29 
3.4.1. Constante dielétrica ...................................................................... 31 
3.4.2. Polarização em dielétricos ............................................................ 33 
3.4.3. Dependência da constante dielétrica com a frequência ................ 34 
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL .................................................................... 37 
 Materiais utilizados ....................................................................................... 38 
 Preparo das suspensões cerâmicas ............................................................ 38 
 Produção das fitas e laminados cerâmicos .................................................. 39 
4.3.1. Processo de laminação ................................................................. 39 
4.3.2. Tratamentos térmicos ................................................................... 40 
 Caracterização das suspensões cerâmicas ................................................. 40 
 Caracterização das fitas verdes e das fitas laminadas sinterizadas ............ 40 
4.5.1. Análise termogravimétrica (ATG) .................................................. 40 
4.5.2. Difração de raios X ........................................................................ 41 
4.5.3. Espectroscopia Raman ................................................................. 41 
4.5.4. Densidade e porosidade ............................................................... 41 
4.5.5. Microscopia eletrônica de varredura (MEV – FEG) ....................... 42 
4.5.6. Propriedades dielétricas ................................................................ 42 
5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 44 
 Caracterização reológica das suspensões cerâmicas ................................. 44 
 Análise Termogravimétrica (ATG) ................................................................ 45 
 Difração de Raios X ..................................................................................... 48 
 
 
 Espectroscopia Raman ................................................................................ 54 
 Densidade e porosidade das fitas cerâmicas sinterizadas ........................... 55 
 Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV-FEG) ....................................... 58 
 Propriedades dielétricas ............................................................................... 60 
5.7.1. Propriedades dielétricas das fitas verdes laminadas .................... 60 
5.7.2. Propriedades dielétricas das fitas laminadas sinterizadas ............ 63 
6. CONCLUSÕES .................................................................................................. 71 
 REFERÊNCIAS .................................................................................................. 72 
 
16 
 
________________________________________ 
Capítulo 1 
________________________________________ 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
O acelerado crescimento das vendas de dispositivos móveis tem gerado um 
grande avanço no setor de telecomunicações nas últimas décadas, pelo qual o 
esforço por desenvolver melhores tecnologias de transmissão de dados tem sido 
intenso e de progresso contínuo. Ao mesmo tempo, uma grande variedade de 
aplicações utiliza banda larga e tecnologia de alta frequência de onda. Os telefones 
móveis tendem a usar maiores frequências de onda, desde 800 MHz até 5 GHz, e 
cada vez mais dispositivos de uso diário estão utilizando frequências de onda 
maiores, por exemplo, GPS (global positioning system, 1,5 GHz), WLAN (wireless 
local area network, 5 GHz), Bluetooth (2,45 GHz) e as comunicações via satélite 
utilizam várias dezenas de GHz (REVELO, 2019). 
Diante disso, existe uma necessidade contínua de novas tecnologias 
avançadas de integração e módulos multicamadas em sistemas de comunicação 
sem fio. A eletrocerâmica, que permite a criação de componentes eletrônicos leves 
e miniaturizados em multicamadas, tem sido amplamente estudada para esses fins. 
Em antenas de banda ultra larga (UWB) operando em uma faixa de frequência de 
3,1 GHz a 10,6 GHz, os substratos cerâmicos geralmente devem ter baixa constante 
dielétrica relativa e baixo valor de perda dielétrica (KÄHÄRI et al., 2016). 
Com o rápido desenvolvimento de circuitos de alta velocidade e dispositivos 
eletrônicos de potência utilizados em alta frequência, problemas de transferênciade 
calor e atraso de sinal têm sido o principal desafio. Portanto, a demanda por materiais 
de substrato de alta frequência com alta condutividade térmica e baixa constante 
dielétrica aumentou rapidamente nos últimos anos. Alta condutividade térmica, 
baixa constante dielétrica e baixa perda dielétrica são as propriedades cada vez mais 
importantes para os materiais de substrato de alta frequência, para melhorar sua 
transferência de calor e reduzir o atraso do sinal eletromagnético (WU et al., 2018). 
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electronic-circuit
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electronic-devices
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/electronic-devices
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/thermal-conductivity
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/dielectric-material
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/thermal-conductivity
17 
 
Muitos materiais de substrato cerâmicos tradicionais não podem atender a 
esses requisitos. Por exemplo, Al2O3 e AlN são amplamente utilizados como 
substratos por causa de sua alta condutividade térmica, no entanto, o grande atraso 
na propagação do sinal eletromagnético, resultante de suas constantes dielétricas 
relativamente altas, limita suas aplicações em alta frequência. O nitreto de boro 
hexagonal (h-BN) é um material que possui grande potencial para aplicações como 
substrato de alta frequência, devido a sua alta condutividade térmica (de 
aproximadamente 360 W/m.K), além de baixa constante dielétrica e baixa perda 
dielétrica. Os materiais dielétricos de alta frequência são de interesse para uma 
ampla variedade de aplicações, como embalagens eletrônicas, substratos e 
componentes funcionais, incluindo acopladores, antenas e metamateriais (FAN et 
al., 2018; GUO et al., 2017; WU et al., 2018). 
A técnica de tape casting, é uma técnica que vem sendo muito utilizada para 
fabricação de substratos cerâmicos de alta frequência (JOSEPH et al., 2019; 
ROSHNI; SEBASTIAN; SURENDRAN, 2017; SHI; CHAI; HU, 2019; VARGHESE et 
al., 2017). Essa técnica possui mais vantagens do que algumas técnicas 
convencionais utilizadas, como slip casting, por exemplo. As vantagens incluem: fácil 
controle da espessura da fita cerâmica verde, fácil produção de peças cerâmicas 2D 
ou 3D com tamanhos variados, ótimo custo-benefício, além de permitir introdução de 
cavidades e vias nos substratos produzidos (ROSHNI; SEBASTIAN; SURENDRAN, 
2017). A técnica também permite combinar pós de natureza química diferente em 
uma mesma suspensão, o que pode ser muito útil para otimizar as propriedades do 
material produzido e atender aos requisitos de uma determinada aplicação. 
Portanto, diante desse contexto, conhecimento teórico e dados experimentais 
encontrados na literatura, o presente trabalho tem por finalidade a preparação de 
suspensões cerâmicas a partir do silicato de cálcio, com inserções de nitreto de boro 
hexagonal, para conformar substratos cerâmicos multicamadas através da técnica 
de tape casting, que atuem como substratos de alta frequência. 
 
 
 
 
18 
 
________________________________________ 
Capítulo 2 
________________________________________ 
 
 
2. OBJETIVOS 
 Objetivo geral 
O presente trabalho tem como objetivo desenvolver substratos cerâmicos 
multicamadas à base de silicato de cálcio com inserção de h-BN (1%, 3% e 5% em 
peso) conformadas por tape casting, afim de avaliar o uso deles como substratos 
dielétricos de alta frequência. 
 
 Objetivos específicos 
• Obter suspensões estáveis e com comportamento pseudoplástico para 
conformação das fitas cerâmicas pela técnica de tape casting; 
• Analisar a microestrutura da superfície de fratura das fitas laminadas 
sinterizadas através de microscopia eletrônica de varredura com emissão de 
campo; 
• Avaliar as fases cristalinas formadas nos materiais obtidos, através de 
difração de raios X e espectroscopia Raman; 
• Avaliar as propriedades dielétricas das fitas laminadas verdes e após 
sinterização; 
• Obter materiais com baixa perda dielétrica e baixa constante dielétrica; 
• Estudar o efeito da inserção de h-BN nas propriedades dielétricas do silicato 
de cálcio. 
 
 
 
 
 
19 
 
________________________________________ 
Capítulo 3 
________________________________________ 
 
 
3. REFERENCIAL TEÓRICO 
 Técnica tape casting 
A técnica tape casting foi desenvolvida em meados da década de 1940 por 
Glenn Howatt para produzir materiais piezoelétricos finos. Desde então, o processo 
foi melhorado e amplamente aplicado para fabricar substratos cerâmicos densos e 
materiais multicamada em larga escala. Ela tem sido geralmente aplicada para 
produzir substratos densos em aplicações eletrônicas, porém recentemente existem 
esforços crescentes para se produzir fitas cerâmicas porosas. A presença de poros 
em materiais cerâmicos é geralmente tratada como um defeito no produto final. No 
entanto, os avanços no processamento tecnológico de partículas cerâmicas 
associadas à indústria e a demanda cientifica por materiais porosos com 
propriedades químicas, térmicas e estruturais, tem levado ao crescente interesse em 
materiais cerâmicos porosos. (NISHIHORA et al., 2018). 
As fitas cerâmicas produzidas por tape casting possuem espessura entre 10 
μm e 1 mm. O processo foi originalmente desenvolvido para fabricar dielétricos para 
capacitores, que continua a ser uma das aplicações mais importantes da técnica 
(MISTLER; TWINAME, 2000; NISHIHORA et al., 2018). 
 A técnica consiste em um processo de modelagem úmida baseado na 
produção de uma fita cerâmica flexível a partir de uma suspensão com natureza 
pseudoplástica. Normalmente, as suspensões produzidas pela técnica de tape 
casting consistem basicamente de um pó cerâmico, um líquido (solvente orgânico ou 
água destilada) e aditivos, como dispersante, ligantes e plastificantes. Devido a 
questões ambientais e de segurança, o uso de sistemas baseados em água tem 
aumentado cada vez mais. No entanto, a substituição de solventes orgânicos por 
água apresenta alguns desafios, como controle da reologia e comportamento de 
secagem da suspensão (HOTZA et al., 2019). 
20 
 
A utilização de água como solvente possui diversas vantagens, como a não-
toxidade e o baixo custo, porém, a secagem, composição e a espessura da fita 
cerâmica são de difícil controle. Por outro lado, uma suspensão a base de solventes 
orgânicos possui uma rápida taxa de secagem, menor sensibilidade a trincas, porém 
apresentam algumas desvantagens, como risco à saúde e ao meio ambiente, além 
do alto custo (FREITAS, 2018; LUO; EITEL, 2018). 
O processo de tape casting pode ser dividido em dois estágios de mistura. 
Inicialmente, tem-se o estágio primário de mistura, onde solvente e dispersante são 
adicionados em um frasco e misturados por um tempo determinado. O controle das 
propriedades da suspensão depende em grande parte da escolha do dispersante e 
controle do seu percentual. O segundo estágio de mistura envolve a adição de 
plastificante, ligante, surfactante e antiespumante. O plastificante deve ser 
adicionado primeiro e misturado antes de adicionar o ligante, para evitar a formação 
de aglomerados, tendo em vista que o ligante se dissolve mais facilmente no 
plastificante. A velocidade e o tempo de mistura podem ser os mesmos utilizados no 
1º estágio, garantindo que todos os componentes sejam dissolvidos no solvente. O 
tempo de mistura da suspensão depende das necessidades de cada reagente que 
está sendo utilizado (MORIANA; ZHANG, 2018; YU et al., 2015). 
O comportamento reológico e a densidade após a preparação da suspensão 
devem ser monitorados, para que seja possível determinar a viscosidade em função 
da taxa de cisalhamento e o comportamento previsto durante a preparação da fita 
cerâmica. Eles são obtidos para determinar se a suspensão é adequada parao 
processo de tape casting, dentro de parâmetros aceitáveis, como apresentar um 
comportamento pseudoplástico (MORIANA; ZHANG, 2018). 
A suspensão preparada é transferida para um frasco e logo em seguida para 
o equipamento de tape casting, onde passará por uma lâmina niveladora, também 
chamada de doctor blade, que tem a função de controlar a espessura da fita que 
será produzida. A secagem da suspensão colada é outra característica muito 
importante. Para maiores eficiências, velocidades altas de secagem são requeridas, 
no entanto, se a suspensão secar muito rápido, pode afetar a qualidade final da fita 
cerâmica. Os aditivos orgânicos (dispersante, plastificante, antiespumante, ligante, 
surfactante, entre outros) podem ser eliminados por intermédio de tratamentos 
térmicos das fitas cerâmicas ou laminados. Após eliminação dos aditivos, a fita 
21 
 
cerâmica pode ser sinterizada para posterior observação de diversas propriedades 
(térmicas, elétricas, mecânicas, entre outras) (REN; LUO; ZHOU, 2018). 
A partir da Figura 1, é possível observar uma ilustração de um equipamento 
típico de tape casting. O equipamento é composto basicamente por um filme 
transportador, onde a suspensão é despejada, doctor blade, além de uma câmara 
de secagem e o controlador do equipamento. 
 
 Fonte: Adaptado de Nishihora et al. (2018). 
 
A característica e a escolha dos componentes das suspensões que serão 
coladas no equipamento de tape casting são extremamente importantes para 
obtenção de fitas cerâmicas homogêneas e flexíveis. A seguir, serão apresentados 
alguns aspectos dos componentes de suspensões cerâmicas. 
 
• Pós cerâmicos 
Para se obter uma maior confiabilidade e um maior empacotamento no 
processamento cerâmico, é necessário um pó cerâmico bem caracterizado com 
pequeno tamanho de partícula. No entanto, um menor tamanho de partícula aumenta 
a retração da fita cerâmica produzida, sendo necessário, assim, maiores 
concentrações de aditivos. Na técnica de tape casting, é possível combinar pós de 
natureza química diferente em uma suspensão, e ao mesmo tempo garantir uma 
distribuição relativamente uniforme do volume da fita cerâmica obtida (JABBARI et 
al., 2016). 
 
 
 
Filme transportador
Suspensão
Doctor
Blade
Câmara 
de secagem Fita cerâmica no
filme transportador
Controlador
Figura 1 - Representação de um típico equipamento de tape casting. 
22 
 
• Solventes 
O solvente, como veículo fluido, é utilizado para dissolver os outros aditivos 
orgânicos e misturá-los uniformemente com o pó. Ele deve promover dispersão 
uniforme e empacotamento do pó e ao mesmo tempo dissolver o dispersante e os 
demais aditivos orgânicos. Água ou líquidos orgânicos como etanol, acetona e 
isopropanol podem ser utilizados como solventes nas suspensões. A água tem sido 
muito utilizada no processo de tape casting, pois evita os efeitos tóxicos produzidos 
pelos solventes orgânicos (REN; LUO; ZHOU, 2018). 
 
• Ligantes 
O ligante garante que a fita verde tenha resistência mecânica suficiente para 
manuseio em etapas subsequentes do processo. Consiste em polímeros que 
absorvem a superfície de partículas sólidas e garantem a ponte entre elas. Os 
requisitos básicos para um ligante são: compatibilidade com o sistema, eficiência em 
baixa concentração, baixa temperatura de transição vítrea (para não aumentar 
excessivamente a viscosidade), pouca ou nenhuma tendência a aderir fortemente ao 
substrato onde será colada a suspensão e facilidade na eliminação, geralmente 
através de pirólise. Entre os ligantes mais utilizados em suspensões aquosas ou 
orgânicas, estão os polímeros acrílicos, como o poliacrilato de amônio e seus 
derivados (EL HAFIANE et al., 2012). 
 
• Dispersantes 
A utilização de aditivos dispersantes estabiliza a suspensão cerâmica e evita 
a aglomeração das partículas da suspensão. Isso ocorre porque eles promovem 
repulsão eletrostática e/ou estérica para separar partículas aglomeradas em 
partículas individuais nas suspensões. Portanto, com adição do dispersante é 
possível a obtenção de uma suspensão estável, melhor empacotamento da fita 
verde, diminuição da quantidade de solvente e, consequentemente, aumento da 
carga de material sólido (ARAÚJO, 2016; HOTZA; GREIL, 1995; MORTARA, 2005). 
 
 
 
 
 
23 
 
• Plastificantes 
O plastificante tem a função de penetrar através de uma matriz polimérica e 
interferir em suas cadeias, aumentando assim, a mobilidade e flexibilidade da fita. O 
grau de plastificação do polímero depende em grande parte da estrutura do 
plastificante, como composição química, peso molecular e grupo funcional. 
Plastificantes que possuem baixo peso molecular e pequeno número de grupos 
polares, proporcionam maior flexibilidade a fita cerâmica (KIM et al., 2004; 
PRATEEPCHANACHAI et al., 2017). 
 
• Surfactante, antiespumante e aditivos de sinterização 
Além dos aditivos já citados, surfactante, antiespumante e aditivos de 
sinterização também podem ser adicionados a suspensão. O surfactante e 
antiespumante são necessários para sistemas à base de água. O surfactante atua 
diminuindo a tensão superficial da suspensão, garantindo maior estabilidade no 
escorregamento durante o processo de tape casting, e o antiespumante é aplicado 
a fim de reduzir as bolhas provenientes do processo de mistura dos reagentes. Uma 
bomba de vácuo também pode ser utilizada para retirar as bolhas da suspensão. Os 
aditivos de sinterização podem influenciar na densidade, microestrutura ou cinética 
de aquecimento da fita sinterizada (JABBARI et al., 2016; LUO; TOK; BOEY, 2006). 
 
 Vitrocerâmicas 
A vitrocerâmica tem aproximadamente 65 anos e é conhecida por sua 
combinação incomum de propriedades que levam a uma variedade de produtos de 
alta tecnologia para o mercado consumidor e especializado. Elas são obtidas por 
cristalização controlada de vidros inorgânicos não metálicos. Suas microestruturas 
compreendem pelo menos um tipo de cristal funcional e uma fração vítrea. 
Geralmente, elas possuem uma fração volumétrica cristalina da ordem de 70 % a 
99%. A vitrocerâmica é isenta de poros ou apresenta vários níveis de porosidade. Os 
poros podem ser projetados (por exemplo, fabricação aditiva) e fornecem uma parte 
crítica da relação estrutura-propriedade da vitrocerâmica desejada. Por outro lado, 
os poros podem ser subprodutos de processos indesejados, como sinterização 
incompleta de pós de vidro original. Se os vidros são misturados com outros 
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/glass-ceramics
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/crystallization
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/byproduct
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/sintering
24 
 
materiais cristalinos (cerâmicas, metais, semicondutores ou polímeros), eles são 
compostos e não são considerados vitrocerâmicos (DEUBENER et al., 2018). 
Dentre as vantagens desses materiais, tem-se a possibilidade de combinação 
de propriedades especiais de cerâmicas sinterizadas convencionais com aquelas 
características típicas de vidros. Assim, é possível o desenvolvimento de 
vitrocerâmicas modernas com propriedades próprias, que não se assemelham 
àquelas observadas em vidros, cerâmicas ou em outros materiais, tais como metais 
e polímeros. Uma vez que o processo de produção de vitrocerâmicas se inicia com 
a simples formação de um vidro, diversas técnicas de processamento conhecidas e 
de alto rendimento podem ser empregadas na conformação de produtos com formas 
complexas e variadas. A conversão de um vidro para uma vitrocerâmica se dá 
através de tratamentos térmicos, que visam controlar a nucleação e o crescimento 
de cristais (SANTOS, 2013). 
Materiais isolantes são necessários em dispositivos de circuito integrado, mas 
eles precisam suportar altas temperaturas sem uma deformação significativa para 
ter um alto volume de resistividadee alta resistência. As vitrocerâmicas podem 
atender a esses requisitos e resolver problemas de geração de calor em novos 
dispositivos eletrônicos, porque elas são quimicamente estáveis até altas 
temperaturas, podem operar bem a essas temperaturas e, diferentemente dos 
metais, não se deformam (FUERTES et al., 2019). 
As vitrocerâmicas podem ser aplicadas nas indústrias de telecomunicações e 
óptica, implantes cirúrgicos, materiais dentários, e espelhos telescópicos 
(SERBENA; ZANOTTO, 2012). Na Figura 2, é possível observar um exemplo de 
transição de um vidro para uma vitrocerâmica. 
 Fonte: Holand; Beall, (2019). 
Figura 2 - Transição de vidro para vitrocerâmica: a) formação de núcleos, b) 
crescimento de cristais, c) microestrutura de uma vitrocerâmica. 
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/crystalline-material
25 
 
As vitrocerâmicas também podem ser aplicadas nos dispositivos 
microeletrônicos, tais como filtros de passagem de banda, antenas ressonantes 
dielétricas, osciladores, entre outros. Para essas aplicações, o material necessita 
possuir baixa perda dielétrica em função da temperatura e frequência. As 
vitrocerâmicas à base de sílica e silicatos podem atender a esses requisitos 
(DANEWALIA et al., 2016). 
Nas vitrocerâmicas, as fases formadas determinam as propriedades 
dielétricas e termomecânicas finais. A sinterização entre as partículas nesse tipo de 
substrato acontece em temperaturas acima da transição vítrea do material, onde 
também ocorre a cristalização, em geral a partir das superfícies. A densificação 
depende diretamente do tamanho de partícula, da viscosidade e do empacotamento 
do compacto verde (REVELO, 2019). 
Em um sistema vitrocerâmico, é possível correlacionar a densidade relativa 
do corpo sinterizado com a constante dielétrica. Com o aumento da porosidade, a 
constante dielétrica da vitrocerâmica diminui, pois a constante dielétrica dos poros é 
aproximadamente igual a um. Em relação à vitrocerâmicas produzidas por tape 
casting, as características microestruturais são influenciadas pela distribuição de 
tamanhos de partícula, concentração de sólidos na suspensão e o empacotamento 
das partículas na fita conformada, que afetam significativamente o comportamento 
da sinterização e da cristalização. Assim, as características microestruturais e a 
porosidade do material afetam diretamente as propriedades físicas e dielétricas das 
vitrocerâmicas (FENG et al., 2012; HWANG; KIM, 2007; REVELO, 2019). 
 
 Nitreto de boro hexagonal (h-BN) 
Os Nitretos de boro (BN) são construídos a partir de números iguais de átomos 
de boro (B) e nitrogênio (N). Esses materiais eram anteriormente considerados 
apenas sintéticos, mas recentemente também foram descobertos na natureza. Eles 
têm quatro formas cristalinas que são isoeletrônicas para redes de carbono 
estruturadas de maneira semelhante: BN hexagonal semelhante ao grafite (h-BN), 
BN cúbico semelhante ao diamante (c-BN), BN wurtzita (w-BN), e por fim, o BN 
romboédrico, (r-BN), que possui a mesma estrutura que o h-BN para formar os 
hexágonos. Entre eles, o h-BN é a fase mais estável do BN em condições padrão 
(WENG et al., 2016). Essas estruturas estão ilustradas na Figura 3. 
26 
 
 Fonte: Zhang et al. (2007). 
 
O cristal de nitreto de boro hexagonal consiste de camadas bidimensionais 
com os átomos de boro e nitrogênio ocupando vértices de hexágonos. Os átomos de 
boro e nitrogênio se ligam através de ligações covalentes, chamadas ligações σ, 
híbridas na configuração sp2. O outro orbital 2pz é perpendicular a folha e forma as 
ligações π. No cristal 3D de nitreto de boro hexagonal, as ligações interplanares são 
bastante fracas e são, provavelmente, uma mistura de atração iônica entre íons de 
cargas opostas nos planos adjacentes e ligações de Van Der Waals como ocorre no 
grafite. A rede do nitreto de boro hexagonal é triangular, com uma base que 
contém um átomo de boro e outro átomo de nitrogênio por célula unitária. Cada 
átomo de boro liga-se a três átomos de nitrogênio e vice-versa (OLIVEIRA, 2012). A 
rede direta do nitreto de boro hexagonal está ilustrada na Figura 4. 
Figura 3 - Alótropos do Nitreto de Boro. 
27 
 
Figura 4 - Rede direta do nitreto de boro hexagonal com a célula unitária destacada. 
 Fonte: Oliveira. (2012). 
 
Ao contrário do grafite, o padrão de empilhamento das camadas no h-BN 
apresenta seus átomos B em cada camada BN consecutiva, situando-se exatamente 
acima ou abaixo dos átomos de nitrogênio nas camadas adjacentes. Tais 
características estruturais implicam na polaridade das ligações B-N, resultando em 
um caráter parcialmente iônico das ligações B-N covalentes (WENG et al., 2016). 
Ao contrário de materiais cuja base é o grafeno, os materiais baseados em 
nitreto de boro hexagonal permanecem estáveis em temperaturas de até 800 °C 
(PAN et al., 2016). 
O h-BN é um isolante ou semicondutor com larga abertura de banda (de 
aproximadamente 5,97 eV) e possui excelentes propriedades mecânicas e excelente 
estabilidade térmica e química. A estrutura do h-BN é semelhante a do grafite, mas 
por causa de sua estrutura contendo dois tipos de átomos, em essência, é 
completamente diferente do grafeno, com isso, eles possuem características e 
propriedades distintas. O grafeno é um semicondutor e possui alta condutividade 
elétrica, enquanto o h-BN possui condutividade elétrica extremamente baixa, devido 
a sua larga abertura de banda. Por ser um semicondutor com larga abertura de 
banda, as propriedades dielétricas do h-BN no desempenho de aplicações elétricas 
são muito significativas. Além disso, suas propriedades físicas e químicas em 
espessura atômica são relativamente estáveis. Essas características são muito úteis 
na preparação de dispositivos nanoeletrônicos (WANG et al., 2017). 
Características estruturais exclusivas do h-BN conferem-lhe ótimas 
propriedades elétricas, ópticas e químicas. Por exemplo, a deslocalização reduzida 
de elétrons nas ligações do tipo BN π causa um grande intervalo de bandas, 
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/insulators
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/strength-of-materials
https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/chemical-property
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/nanoelectronics
28 
 
resultando em uma natureza eletricamente isolante e aparência incolor do material. 
Isso torna o h-BN muito útil como isolante elétrico, condutor térmico, material 
dielétrico, entre outros. Além disso, o h-BN é termicamente e quimicamente estável 
e, portanto, também é amplamente utilizado para cadinhos duráveis de alta 
temperatura e revestimento de proteção na indústria (WENG et al., 2016). 
Cerâmicas compósitas de h-BN apresentam versatilidade e melhoram 
propriedades em comparação com as tradicionais cerâmicas de h-BN, tais como 
excelentes propriedades mecânicas, resistência a altas temperaturas, resistência a 
choques térmicos, entre outras. Elas têm aplicações importantes no campo da 
indústria aeroespacial, eletrônica, metalurgia, energia nuclear, etc. No entanto, 
existem alguns problemas que limitam a aplicação do h-BN, como baixa 
sinterabilidade, que pode afetar suas propriedades mecânicas. Como a forte 
covalência da ligação B-N tem um baixo coefiente de autodifusão, é difícil obter 
materiais densos, mesmo que sejam sinterizados sob alta temperatura (> 2000 °C), 
com ou sem pressão. Assim, o h-BN é mais utilizado como aditivo para ajustar as 
propriedades das cerâmicas compósitas, como aumentar a condutividade térmica, 
melhorar a processabilidade, além de diminuir a constante e perda dielétrica (DUAN 
et al., 2016). 
Os métodos típicos de fabricação de cerâmicas compósitas que contem h-BN 
incluem sinterização convencional, sinterização por prensagem a quente, 
sinterização por plasma e sinterização por pressão isostáticaa quente. É bastante 
difícil eliminar poros e outros defeitos com sinterização convencional em compósitos 
com matriz cerâmica de h-BN, devido à estrutura dos grãos. Assim, embora seja 
utilizada alta temperatura no processo de sinterização convencional e utilização de 
alto teor de aditivos, ainda é difícil obter altas densidades relativas. 
TIAN et al. (2019) obtiveram cerâmicas de SiO2 - h-BN sinterizadas a 1800 °C 
por sinterização convencional, com uma alta porosidade relativa de 77,2%. Foi 
observado a presença de partículas semelhantes a placas desordenadamente 
distribuídas na microestrutura. Foram obtidos padrões de difração de raios X da área 
que continham essas placas e, os resultados mostraram que as partículas com esse 
formato pertenciam ao h-BN. Os resultados também mostraram que devido à 
estrutura em forma de placas das partículas de h-BN, foi fácil acumulá-las em uma 
estrutura de 'cartão'. A formação desta estrutura dificultou a densificação do material. 
A morfologia da superfície de fratura dessa estrutura está ilustrada na Figura 5. 
29 
 
Fonte : TIAN et al, (2019). 
 
 Propriedades dielétricas dos materiais 
Dielétricos são materiais que se polarizam e possuem a capacidade de 
armazenar energia elétrica devido ao deslocamento de cargas (polarização) na 
presença de um campo elétrico. Se um material contém moléculas polares, elas 
geralmente orientam-se aleatoriamente na ausência de campo elétrico aplicado. A 
aplicação de um campo elétrico poderá polarizar o material através da orientação 
dos momentos dipolares das moléculas polares. A presença do material dielétrico, 
desta forma, aumenta a carga armazenada nas placas do capacitor. A esta 
capacidade de polarização atômica ou iônica dá-se o nome de polarizabilidade 
(PINHEIRO, 2010). 
As propriedades dielétricas podem estar associadas a outras características 
de um determinado material. Umidade, temperatura no ambiente, densidade, 
microestrutura, espessura do material, porosidade, composição química e, 
especialmente, o momento dipolar permanente, podem alterar essas propriedades. 
Cada material tem um conjunto único de características elétricas que dependem de 
suas propriedades dielétricas. Medições precisas dessas propriedades podem 
fornecer aos cientistas e engenheiros informações para incorporar adequadamente 
o material na aplicação pretendida para projetos. As propriedades dielétricas de um 
material podem fornecer informações críticas de parâmetros de projeto para muitas 
aplicações eletrônicas. Por exemplo, a impedância de um substrato ou a frequência 
Figura 5 - Morfologia da superfície de fratura do material cerâmico 
compósito SiO2 - h-BN. 
30 
 
de um ressonador dielétrico pode ser relacionada às suas propriedades dielétricas 
(OZTURK; GÜNEŞER, 2018). 
Os materiais dielétricos são utilizados em capacitores, que são dispositivos 
que utilizam esses dielétricos para armazenamento de energia. A carga armazenada 
em um capacitor é dada por (PINHEIRO, 2010; KALANTARI, 2014): 
 
Q = C ∗ V (3.1) 
 
onde C é a capacitância do capacitor e V é a tensão aplicada. A quantidade de carga 
Q para um dado valor de tensão aplicada é a soma de dois componentes: Q0, que é 
a carga que existiria se as placas do capacitor estivessem separadas apenas pelo 
vácuo, e Qd, que é a carga devida à polarização do dielétrico entre os elementos 
condutores: 
 
 Q = Q0 + Qd (3.2) 
 
A capacitância pode ser facilmente calculada se a geometria dos condutores 
e do dielétrico forem conhecidas. A capacitância de um capacitor de placas paralelas, 
ambos com mesma área A e separados por uma distância d, é aproximadamente 
igual a: 
 C = 
𝜀ε0∗𝐴
𝑑
 (3.3) 
 
onde “ε” é a constante dielétrica do material, ε0 ≈ 8,85 x 10-12 F/m, corresponde 
a constante dielétrica do vácuo e C é a capacitância. A Figura 6 ilustra um modelo 
de um capacitor de placas paralelas ideal, com as respectivas placas condutoras e 
o material isolante. 
 
31 
 
 Figura 6 - Capacitor de placas paralelas ideal. 
 Fonte: Adaptado de Kalantari (2014). 
 
Os Materiais dielétricos se enquadram em duas categorias principais: 
materiais dielétricos de capacitores e materiais dielétricos de alta frequência. 
Dielétricos com alta constante dielétrica são frequentemente utilizados como 
materiais dielétricos de capacitores em campos cerâmicos, enquanto dielétricos com 
relativamente baixa constante dielétrica são utilizados para servir como materiais 
dielétricos de alta frequência (QUAN et al., 2017). 
 
3.4.1. Constante dielétrica 
A constante dielétrica (ε) é definida pela razão entre o campo elétrico que 
aparece devido ao deslocamento das cargas no dielétrico (D) e o campo elétrico 
aplicado (E). Ela é uma propriedade intrínseca do material e está relacionada com a 
resposta do material a um campo elétrico manifestada pela polarização (PINHEIRO, 
2010). 
A constante dielétrica é um parâmetro físico que descreve 
como um campo elétrico afeta e é afetado por um meio. É a habilidade de um material 
polarizar-se em resposta a um campo elétrico aplicado e, desta forma, cancelar 
parcialmente o campo dentro do material. A razão da constante dielétrica do material 
pela constante dielétrica do vácuo resulta na constante dielétrica relativa (εr). Para 
se referir às propriedades dielétricas de um material, comumente utiliza-se a 
Placas condutoras
Material dielétrico
32 
 
constante dielétrica relativa, definida como εr = ε/ε0 (MOLITON, 2007 apud MORAIS, 
2015). 
Um capacitor com um meio dielétrico de maior εr terá mais carga elétrica com 
a mesma voltagem aplicada ou, em outras palavras, sua capacitância será maior, 
assim, para um maior armazenamento de energia em capacitores, são necessários 
altos valores de constante dielétrica. Baixas constantes dielétricas são requeridas 
para aplicações em que se necessita diminuir o atraso de um sinal eletromagnético 
transmitido. Existem duas maneiras possíveis de reduzir a constante dielétrica de um 
material: usar materiais com ligações químicas de polarizabilidade mais baixa do que 
o Silício ou materiais de baixa densidade. A densidade de um material pode ser 
diminuída aumentando o volume livre através do rearranjo da estrutura do material 
ou introduzindo porosidade. Existem muitos materiais de baixa constante dielétrica 
disponíveis e podem ser classificados em dois grupos: materiais contendo Si (ou, 
mais precisamente, Si-O) e não contendo Si. Os materiais contendo Si, por sua vez, 
podem ser divididos em dois subgrupos: baseados em sílica e em silsesquioxano 
(SHAMIRYAN et al., 2004). 
Os materiais de baixa constante dielétrica são mecanicamente fracos, 
termicamente instáveis, pouco compatíveis com outros materiais, capazes de 
absorver produtos químicos, etc. Existem cinco requisitos gerais para um material de 
baixa constante dielétrica ser integrado com sucesso: hidrofobicidade; estabilidade 
mecânica; estabilidade térmica; estabilidade química e física sob condições de 
processamento e compatibilidade com outros materiais. Na Figura 7, é possível 
observar uma curva da constante dielétrica relativa em função da porosidade para 
diferentes materiais dielétricos. É possível observar que a diferença entre os 
materiais diminui com o aumento da porosidade. A integração da última geração de 
materiais de baixa constante dielétrica no processamento de semicondutores é 
indicada pela área sombreada. 
 
33 
 
Figura 7 - Constante dielétrica relativa em função da porosidade para diferentes 
dielétricos. 
 Fonte: Adaptado de Shamiryam et al. (2004). 
 
3.4.2. Polarização em dielétricos 
Uma propriedade fundamental de todos os dielétricos é a polarização de suas 
partículas elementares quando sujeitas à ação de um campo elétrico. Define-se por 
polarização, um deslocamento reversível dos centros das cargas positivas e 
negativasna direção do campo elétrico externo aplicado. Por ser reversível, essa 
direção acompanhada, ou pelo menos tende a acompanhar a própria orientação do 
campo elétrico aplicado. (SILVA, 2010). 
Os efeitos da polarização em escala atômica nos permitem conhecer a 
variação do momento de dipolo elétrico quando o material está sob a influência de 
um campo elétrico uniforme. Quanto maior a separação das cargas de um dipolo 
devido a um campo elétrico “E” aplicado, mais polarizável é um material e maior será 
a constante dielétrica (BARSOUM, 2003). 
Os quatro mais comuns mecanismos de polarização dos materiais são: 
polarização eletrônica, polarização iônica, polarização de orientação e polarização 
interfacial. A polarização eletrônica pode ser induzida em maior ou menor grau em 
todos os átomos. Ela resulta de um deslocamento do centro da nuvem eletrônica 
carregada negativamente em relação ao núcleo positivo de um átomo por um campo 
elétrico. Esse tipo de polarização é encontrado em todos os materiais dielétricos e 
34 
 
existe apenas enquanto um campo elétrico está presente. A polarização iônica 
ocorre somente em materiais iônicos, tais como haletos alcalinos. Um campo 
aplicado atua no deslocamento dos cátions em uma direção e dos ânions na direção 
oposta, o que dá origem a um momento de dipolo resultante. A polarização de 
orientação é encontrada somente em substancias com momentos de dipolos 
permanentes. A polarização resulta de uma rotação dos momentos permanentes na 
direção do campo aplicado. Essa tendência de alinhamento é contraproposta pelas 
vibrações térmicas dos átomos, de modo que a polarização diminui com o aumento 
da temperatura. A polarização interfacial ocorre nas descontinuidades de fases de 
materiais heterogêneos, materiais diferentes, vazios e impurezas. Os materiais 
dielétricos exibem normalmente pelo menos um desses tipos de polarização, 
dependendo do material e também da maneira como é aplicado o campo externo 
(GOMES, 2008; HUMMEL, 2004). 
Conhecer o comportamento da polarização elétrica devido a uma dada 
distribuição de carga e suas variações em um material dielétrico, é de grande 
importância para conhecer suas propriedades dielétricas. A polarização total que 
ocorre no material dielétrico pode ser dada pela soma dos vários mecanismos de 
polarização envolvidos: 
 
Pt = ∑ Pn (3.4) 
 
 onde n representa os mecanismos polarizáveis. 
Os mecanismos responsáveis pela polarização dos materiais dielétricos 
podem estar relacionados à orientação de dipolos permanentes, ou deslocamentos 
de distribuições de cargas e até mesmo por descontinuidades de fase no material 
(GOMES, 2008). 
 
3.4.3. Dependência da constante dielétrica com a frequência 
Um aspecto importante nas aplicações práticas dos materiais dielétricos é a 
dependência do valor da constante dielétrica com a frequência. Em um material 
dielétrico que esteja sujeito a polarização por um campo elétrico com corrente 
alternada (CA), com cada inversão da direção, os dipolos tentam reorientar-se com 
o campo, em um processo que requer algum tempo finito. Para cada tipo de 
35 
 
polarização existe um tempo mínimo de reorientação, o qual depende da facilidade 
com que os dipolos específicos são capazes de se realinhar. Uma frequência de 
relaxação é tomada como o inverso desse tempo mínimo de orientação. Um dipolo 
não consegue manter a mudança na direção de sua orientação quando a frequência 
do campo elétrico aplicado excede sua frequência de relaxação e, dessa forma, não 
irá contribuir para a constante dielétrica. A absorção de energia elétrica por um 
material dielétrico que está sujeito a um campo elétrico alternado é denominada 
perda dielétrica ou fator de perda. Essa perda pode ser importante em frequências 
do campo elétrico na vizinhança da frequência de relaxação para cada um dos tipos 
de dipolo operacionais em um material específico. Para aplicação dos materiais é 
importante saber qual o intervalo de frequências que causam perda dielétrica. 
Deseja-se uma baixa perda dielétrica na frequência de utilização (HUMMEL, 2004). 
 
A constante dielétrica relativa complexa é definida por (KHAN; ALI, 2012): 
 
 ε𝑟 = ε′r − iε′′r (3.5) 
 
Na equação acima, ε′r é a parte real da constante dielétrica, e representa a própria 
constante dielétrica relativa do material. ε′′r é a parte imaginária, e representa a 
perda dielétrica do material. A tangente de perdas pode ser calculada pela equação 
3.6. Ela também mede a capacidade de o material dielétrico absorver energia elétrica 
quando sujeito a um campo elétrico externo. 
 
 tan 𝛿 = 
ε′′
ε′
 (3.6) 
 
Sob baixas frequências, a constante dielétrica é dominada pela influência da 
condutividade iônica. A variação de ε na faixa de micro-ondas é principalmente 
causada pelo relaxamento dipolar e absorção de picos na região do infravermelho, 
e acima, é principalmente devido a polarizações atômicas e eletrônicas (CHEN et al., 
2004). Um gráfico da dependência da constante dielétrica com a frequência para um 
dielétrico hipotético pode ser observado na Figura 8. 
36 
 
 Fonte: Adaptado de Chen et al. (2004). 
 
De acordo com o princípio da conversão da energia eletromagnética, a 
característica de dissipação da energia elétrica é determinada pela parte imaginária 
da constante dielétrica. A perda dielétrica é derivada do efeito de histerese da 
condução dielétrica e da polarização dielétrica. Quando a frequência do campo 
elétrico aplicado é relativamente baixa, os elétrons e dipolos têm tempo suficiente 
para responder ao campo eletromagnético variável. Ao aumentar a frequência do 
campo externo, a polarizabilidade não pode ser mantida e alguns fenômenos de 
histerese correspondentes ocorrem durante esse processo, que é chamado de 
relaxamento de polarização (QUAN et al., 2017). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 - Constante dielétrica em função da frequência para um dielétrico 
hipotético. 
37 
 
________________________________________ 
Capítulo 4 
________________________________________ 
 
 
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL 
Na Figura 9, está ilustrado um fluxograma com os procedimentos adotados e 
caracterizações realizadas no presente trabalho. 
 
Fonte: Próprio autor. 
Mistura por 24 h
Mistura por 24 h 
Pó cerâmico
Suspensão cerâmica
Propriedades 
dielétricas das fitas 
laminadas 
sinterizadas
Água destilada + 
álcool etílico + 
dispersante
Secagem 
(temperatura 
ambiente)
Ligante + 
plastificante
Surfactante + 
antiespumante
ATG Laminação das fitas 
Eliminação dos 
materiais orgânicos
Sinterização das fitas 
laminadas
Drx e espectroscopia 
raman
Densidade e 
porosidade
Tape casting
MEV/FEG da 
superfície de fratura 
das fitas laminadas 
sinterizadas
Ensaio reológico
Propriedades 
dielétricas das fitas 
laminadas verdes
Figura 9 - Fluxograma dos procedimentos adotados e caracterizações 
realizadas. 
38 
 
 Materiais utilizados 
A Tabela 1 apresenta os reagentes que foram utilizados no presente trabalho 
para obtenção das fitas cerâmicas via técnica de tape casting. Foram utilizados dois 
pós cerâmicos: pó comercial de silicato de cálcio da Sigma - Aldrich (78,8% de SiO2 
e 21,2% de CaO; d= 2,9 g /cm3) e pó comercial de nitreto de boro hexagonal da 
stream chemicals (d= 2,3 g /cm3). 
 
 Tabela 1 - Reagentes utilizados na preparação das fitas cerâmicas. 
 Fonte: Próprio autor. 
 
 Preparo das suspensões cerâmicas 
Foram preparadas quatro suspensões cerâmicas: suspensão de silicato de 
cálcio (Sc); suspensão de silicato de cálcio + 1% de h-BN (ScBN1); suspensão de 
silicato de cálcio + 3% de h-BN (ScBN3) e suspensão de silicato de cálcio + 5% de 
h-BN (ScBN5). Os componentes utilizados, percentuais (% em peso) e 
nomenclaturas das suspensões produzidas estão ilustrados na Tabela 2. A 
preparação das suspensões foi realizada através de duasetapas. Na primeira, pó 
cerâmico, dispersante e solventes foram adicionados em um recipiente de 
polipropileno contendo bolas de moagem de alumina e mantidos sob agitação com 
velocidade constante em um moinho de bolas por um período de 24 h. Na segunda 
etapa, foram adicionados ao mesmo recipiente os materiais orgânicos, tais quais, 
plastificante, ligante, surfactante e antiespumante e, posteriormente foi realizada 
Reagentes Fabricante Função 
Silicato de cálcio Sigma-Aldrich Pó Cerâmico 
Nitreto de boro hexagonal (h-BN) Stream chemicals Pó Cerâmico 
Água destilada - Solvente 
Alcóol etílico Cromoline Solvente 
Triton X-114 Sigma-Aldrich Dispersante 
PVA Sigma-Aldrich Ligante 
Glicerol Sigma-Aldrich Plastificante 
Dietalolamida de coco Stepan Surfactante 
Antiespumante Sigma- Aldrich Redução de bolhas 
39 
 
nova mistura por mais 24 h. Antes dos componentes orgânicos serem acrescentados 
à suspensão, foi realizada a preparação do ligante (PVA), que foi dissolvido em água 
sob aquecimento a uma faixa de temperatura de 60 ºC - 70ºC sob agitação 
constante. A proporção de PVA utilizada foi de 16 % em peso. 
 
Tabela 2 - Componentes, percentuais (% em peso) e composições das quatro 
suspensões produzidas. 
 Fonte: Próprio autor. 
 
 Produção das fitas e laminados cerâmicos 
As suspensões cerâmicas produzidas foram depositadas no equipamento de 
tape casting para que fossem produzidas as fitas cerâmicas. Para a produção das 
fitas cerâmicas foi utilizado o equipamento Table Top Tape Casting Machine TTC-
1200 (Tape Casting Warehouse, Inc) com sistema de lâmina (doctor blade), a uma 
velocidade constante de 202,2 mm / min, à temperatura ambiente. O doctor blade foi 
calibrado e ajustado com espessura de 0,4 mm e o tempo de secagem das fitas no 
equipamento foi de 24 horas à temperatura ambiente. 
 
4.3.1. Processo de laminação 
Após secagem das fitas cerâmicas, elas foram separadas do filme 
transportador e cortadas em tamanho retangular de 10 mm x 20 mm. Em seguida, 
Materiais utilizados Sc ScBN1 ScBN3 ScBN5 
Pó cerâmico 23% 
23% (99% 
de silicato 
de cálcio + 
1% de h-
BN) 
23% (97% 
de silicato 
de cálcio + 
3% de h-
BN) 
23% (95% 
de silicato 
de cálcio + 
5% de h-
BN) 
Água destilada 25,2% 25,2% 25,2% 25,2% 
Alcóol etílico 14,5% 14,5% 14,5% 14,5% 
Triton X-114 1,5% 1,5% 1,5% 1,5% 
PVA 30% 30% 30% 30% 
Glicerol 4,3% 4,3% 4,3% 4,3% 
Dietanolamida de coco 0,5% 0,5% 0,5% 0,5% 
Antiespumante 1% 1% 1% 1% 
40 
 
foram empilhadas em 6 camadas. Logo após, foi realizada prensagem em uma 
prensa mecânica sob temperatura controlada. Os parâmetros de laminação foram: 
40 Mpa por 5 minutos a uma temperatura de 60 °C. A espessura das fitas laminadas 
foi de aproximadamente 0,5 mm. 
 
4.3.2. Tratamentos térmicos 
A eliminação dos materiais orgânicos presentes nos laminados verdes e 
posterior sinterização, foram realizados em um forno tubular (FT 1: 200, MAITEC). A 
eliminação dos orgânicos foi realizada com taxa de aquecimento de 1°C / min até 
600°C, com patamar de 60 minutos, sem atmosfera controlada. A temperatura de 
eliminação dos orgânicos foi definida de acordo com os resultados da temperatura 
de degradação dos componentes orgânicos obtidos pela análise de ATG. Os 
laminados foram sinterizados em três temperaturas, 950 °C, 1000 °C e 1050 °C, com 
taxa de aquecimento de 5 °C /min e patamar de 180 minutos. As sinterizações foram 
realizadas sob atmosfera controlada de argônio, com fluxo de 0,25 L/min, para evitar 
oxidação do h-BN. 
 
 Caracterização das suspensões cerâmicas 
A caracterização das suspensões cerâmicas foi realizada por medidas de 
viscosidade em função da taxa de cisalhamento em viscosímetro modelo Haake 
Viscotester da Thermo Fischer Scientific com sistema cone-placa e sensor PP20 
utilizando o intervalo de taxa de cisalhamento de 0 a 200 s-1. As medidas de 
viscosidade foram realizadas antes da deposição das suspensões no equipamento 
de tape casting e foram fundamentais para um melhor entendimento do 
comportamento reológico das suspensões produzidas. 
 
 Caracterização das fitas verdes e das fitas laminadas 
sinterizadas 
4.5.1. Análise termogravimétrica (ATG) 
As curvas de análise térmica diferencial e análise termogravimétrica das fitas 
verdes das amostras de composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 foram obtidas no 
Laboratório de Propriedades Físicas dos Materiais Cerâmicos (LaPFiMC-UFRN), 
41 
 
utilizando um equipamento de modelo DTG-60H da Shimadzu. A análise foi realizada 
da temperatura ambiente até 1000 °C sob atmosfera controlada de argônio, com 
vazão de 50 mL/min e taxa de aquecimento de 10°C/min. 
 
4.5.2. Difração de raios X 
Foram realizadas análises de difração de raios X para os pós cerâmicos de 
silicato de cálcio e h-BN e para as fitas laminadas sinterizadas de composições Sc, 
ScBN1, ScBN3 e ScBN5 nas três temperaturas de sinterização, 950 °C, 1000 °C e 
1050 °C. Os difratogramas de raios X foram obtidos em um difratograma XDR- 7000 
da Shimadzu, utilizando Cu (λ = 1,54 Ǻ) como fonte de radiação, 2θ na faixa de 20° 
a 60°, passo de 0,02, corrente de 30 mA, voltagem de 40 kV e tempo de contagem 
por passo de 1°/min. As fases cristalinas encontradas foram identificadas através do 
banco de dados ICSD. Foi realizado o refinamento das fases utilizando o programa 
Moud a partir dos padrões de raios X das amostras. 
 
4.5.3. Espectroscopia Raman 
As medidas Raman foram realizadas em um espectrômetro LabRam da 
Horiba, utilizando uma grade de 600 mm e um laser verde com comprimento de onda 
de 532 nm. Foram coletados os espectros Raman afim de confirmar as fases 
encontradas na difração de raios X. 
 
4.5.4. Densidade e porosidade 
Foram obtidas as densidades e porosidades aparentes das fitas laminadas 
sinterizadas de composições Sc, ScBN1, ScBN3 e ScBN5 nas três diferentes 
temperaturas de sinterização, 950 °C, 1000 °C e 1050 °C. O princípio de Arquimedes 
foi utilizado, com base na norma ASTM B962 - 08. Esta técnica consiste na medição 
da massa dos corpos de prova secos (Ms), da massa dos corpos úmidos com água 
destilada (Mu), e da massa dos corpos imersos em água destilada (Mi). As equações 
4.1 e 4.2 mostram como são calculados as densidades e porosidades aparentes. A 
densidade aparente (Dap) é dada em g/cm3 e a porosidade aparente (Pr) em %. 
Foram realizadas medidas em quatro amostras de cada composição. 
 
42 
 
 𝐷𝑎𝑝 = 
𝑀𝑠
𝑀𝑢 − 𝑀𝑖
 𝑋 ρá𝑔𝑢𝑎 (4.1) 
 
 𝑃𝑟 = 
𝑀𝑢 − 𝑀𝑠
𝑀𝑢 − 𝑀𝑖
 𝑋 ρá𝑔𝑢𝑎 (4.2) 
 
A densidade relativa (Dr) dos laminados também foi calculada. Ela é definida 
como a razão entre a densidade aparente encontrada para o material e sua 
respectiva densidade teórica. 
 
4.5.5. Microscopia eletrônica de varredura (MEV – FEG) 
A morfologia das amostras foi visualizada em um microscópio eletrônico de 
varredura com feixe de emissão de campo (MEV-FEG) da marca ZEISS, modelo 
Auriga, com voltagem de aceleração de 5 KV, utilizando uma distância de trabalho 
variando entre 4,8 e 7,3 mm. Foi analisada a microestrutura da superfície de fratura 
das fitas laminadas sinterizadas. As amostras foram visualizadas no equipamento de 
MEV/FEG para que fosse possível visualizar a densificação, interface entre as 
camadas das fitas laminadas, além de visualizar como o h-BN estava disposto na 
microestrutura. Antes das análises, as amostras passaram pelo processo de 
metalização, ou seja, foram submetidas a recobrimento em ouro para prevenir 
carregamento elétrico na superfície. 
 
4.5.6. Propriedades dielétricas 
A caracterização dielétrica das fitas laminadas verdes e sinterizadas foram 
realizadas utilizando um analisador de impedância da marca Agilent e modelo 
E4991A RF. A análise foi realizada até uma frequência de