Studying the dielectric properties and structural ceramic matrices Na2Nb4O11 (NN) with Bi2O3 additive components for applications in radio frequency and microwave

In this present work, Na2Nb4O11, ferroelectric ceramics have been investigated by their monoclinic phase structural and dielectric properties have been enhanced by the addition of 2, 5 and 10 wt% Bismuth. Na2Nb4O11 powders have been produced by conventional solid-state reaction method. Milling process was carried out by using a high energy planetary mill. The calcined powders were thoroughly weighted and pressed using an axial press to make cylinder pellets for sintering. The single-phase Na2Nb4O11 was determined by X-Ray Diffraction (XRD) technique and Rietveld refinement method, while morphology, crystal structure and phase composition were determined via Scattering Electron Microscopy (SEM) where the samples’ crystal structure micrographs show nearly the density measures obtained by Pycnometry technique. Dielectric characterization was carried out over a radiofrequency (RF) and microwave (MW) range. Both cases, we have studied the properties related to temperature variation for likely applications to RF and MW devices. We have focused on obtaining dielectric ceramics with high dielectric permittivity ( r ), low dielectric loss ( tan ) and near-zero temperature coefficient of resonant frequency ( f ). Room temperature measures at 25°C have had a high permittivity value ( r =250.9) for NN10Bi (10% of Bi2O3) at 10 kHz and a dielectric loss, relatively low value ( tan =1.8010-2) for NN2Bi (2% of Bi2O3) at 1MHz. Varying temperature and fixed frequency at 100 kHz, we have obtained a high dielectric permittivity value ( r = 440.78 at 440°C) for NN2Bi and a dielectric loss about 1,81.10-1 at 280°C for NN10Bi. Near-zero temperature coefficient of resonant frequency ( f ) has shown possibility of reaching thermal stability ( f = 0) as increasing Bi2O3 addition level. For NN00 we have obtained f = - 3378.42 ppm/oC. More Bi2O3 addition provides f = - 250.04 ppm/oC for NN10Bi. Microwave measures were carried out using Hakki Coleman technique. A numerical simulation was also achieved for each sample for verifying the similarity to experimental data. In this study we have obtained NN10Bi ceramics, applicable for low-gain antenna devices, for satellite communication systems, wireless internet, radar, microwave oven, radio frequency receptor and spacecraft designing. Keywords: Ferroelectricity; dielectric ceramics; Na2Nb4O11.Neste trabalho, foram investigadas as propriedades estruturais e dielétricas da fase monoclínica da cerâmica ferroelétrica Na2Nb4O11 com adição de óxido de bismuto (Bi2O3) nas proporções de 2, 5 e 10% em massa. Os pós Na2Nb4O11 foram produzidos pelo método convencional de reação em estado sólido. Após a calcinação, as amostras foram prensadas na forma de pastilhas cilíndricas e, em seguida, sinterizadas. O estudo da estrutura e da composição das amostras foi feito através de difração de raios-X e Refinamento Rieteveld e um estudo da morfologia foi realizado através de Microscopia Eletrônica de Varredura onde visualmente, as amostras lembram as medidas de densidade obtidas através da picnometria. A caracterização dielétrica foi realizada na faixa de radiofrequências e de microondas. Em ambos os casos, foi realizado um estudo das propriedades em relação à variação da temperatura para possível aplicação em dispositivos de RF e MW. Nosso interesse foi obter dielétricos cerâmicos com permissividade dielétrica alta, baixas perdas dielétricas e estabilidade térmica. Nas medidas realizadas em temperatura ambiente de 25°C obtivemos um alto valor da permissividade dielétrica (ε’r = 250,9) com o NN10Bi (10% de Bi2O3) em 10 kHz e um valor da tangente de perda, relativamente baixo (tanδ = 1,80.10-2) com o NN2Bi (2% de Bi2O3) em 1 MHz. Em temperatura variável e numa frequência fixa de 100 kHz, obtivemos um alto valor da permissividade dielétrica com ε’r = 440,78 a 440°C com o NN2Bi e um valor de perda dielétrica em torno de 1,81.10-1 a 280°C com o NN10Bi. A medida do coeficiente de temperatura da frequência de ressonância (f) mostrou a possibilidade de atingir a estabilidade térmica (f = 0) com o aumento do nível de adição de Bi2O3. Para o NN00 obtivemos um f = -3378,42 ppm/°C. Com a adição do Bi2O3, este valor vai se aproximando do zero e atinge f = -250,04 ppm/°C para o NN10Bi. As medidas na faixa de microondas foram obtidas utilizando-se o método Hakki-Coleman. Uma simulação numérica foi realizada com cada amostra verificando-se a reciprocidade com os dados experimentais. Neste estudo obtivemos uma cerâmica NN10Bi, útil para a aplicação em dispositivos de antenas omnidirecionais de baixo ganho, em sistemas de comunicações via satélite, internet sem fio, radar, forno de microondas, recepção de rádio e em projetos de espaçonaves. Palavras chaves: Ferroeletricidade; cerâmicas dielétricas; Na2Nb4O11