Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Efeito da disponibilidade de oxigénio na produção de bioetanol por Scheffersomyces stipitis

O bioetanol constitui uma alternativa renovável aos combustíveis fósseis. Contudo, o bioetanol de primeira geração, produzido a partir de matérias-primas alimentares, desencadeou sérios problemas económicos e sociais, pelo que é fundamental encontrar estratégias que permitam a viabilidade comercial do bioetanol de segunda geração, produzido a partir de matérias-primas lenho-celulósicas. O licor de cozimento ao sulfito ácido de árvores folhosas (HSSL) é um subproduto da indústria papeleira que, devido ao seu elevado conteúdo em açúcares, pode ser utilizado como substrato para a produção de bioetanol de segunda geração. No entanto, a maior fração dos açúcares do HSSL é composta por pentoses. Por isso, a fermentação do HSSL é realizada pela levedura Scheffersomyces stipitis, pois esta é capaz de fermentar tanto as hexoses como as pentoses. Todavia, a S. stipitis só produz etanol sob condições microaerófilas, pelo que o maior desafio da produção de bioetanol por S. stipitis reside no estabelecimento das condições ótimas de arejamento. Este trabalho teve assim por objetivo estabelecer uma estratégia de arejamento que permita a eficiente produção de bioetanol a partir de HSSL por S. stipitis C4, a qual é uma estirpe adaptada a este substrato. Deste modo, foram realizados ensaios em Erlenmeyer, de modo a caracterizar o crescimento da S. stipitis C4, e ensaios em biorreator, com vista a estudar a produção de etanol por S. stipitis C4 em duas estratégias de arejamento diferentes. Na primeira estratégia foi usado apenas um único estágio de arejamento, com controlo da tensão de oxigénio dissolvido, DOT (%), e na segunda estratégia foram usados dois estágios de arejamento, com controlo da DOT no primeiro estágio e com restrição de oxigénio no segundo estágio. Nos ensaios em Erlenmeyer com HSSL o crescimento da S. stipitis C4 foi completamente inibido. Por sua vez, nos ensaios em biorreator com um único estágio de arejamento o controlo da DOT não permitiu a produção de etanol. No entanto, nos ensaios com dois estágios de arejamento em meio sintético foi possível produzir etanol de forma eficiente. Nesta estratégia, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio de arejamento permitiu aumentar a taxa específica de crescimento máxima e o rendimento em biomassa do primeiro estágio. Para além disso, a utilização de um maior valor de DOT no primeiro estágio também permitiu aumentar a produtividade em etanol durante o segundo estágio de arejamento. Por sua vez, no segundo estágio de arejamento verificou-se que a restrição de oxigénio evitou a reassimilação de etanol pela S. stipitis C4. Deste modo, os melhores resultados para a produção de etanol foram obtidos com controlo da DOT a 50% durante o primeiro estágio e com 0 mLAr.min-1 e 250 rpm durante o segundo estágio de arejamento. A aplicação desta estratégia de arejamento a 60% HSSL/40% meio sintético permitiu obter, no primeiro estágio de arejamento, uma taxa específica de crescimento máxima de 0,17 h-1, o que demonstra que a elevada disponibilidade de oxigénio durante o primeiro estágio aumenta a tolerância da S. stipitis C4 aos inibidores. Para além disso, a taxa volumétrica de produção de etanol e o rendimento em etanol de toda a fermentação foi de respetivamente de 0,03 g.L-1.h-1 e 0,38 g.g-1. Assim, a elevada eficiência de conversão dos açúcares em etanol (74,4%) demostra que a fermentação com dois estágios de arejamento constitui uma estratégia promissora para a produção de bioetanol de segunda geração a partir de HSSL.