Comportamiento electromagnético de composites de matriz cerámica con nanofibras de carbono

Abstract

En esta tesis se han preparado materiales compuestos de matriz cerámica dieléctrica/nanofibras de carbono (NFC), más concretamente materiales de Al2O3/NFC (alúmina/NFC) y de Ni0.5Zn0.5Fe2O4/NFC (ferrita/NFC), con concentraciones de fase conductora de entre 0 y 9% en volumen, mediante procesamiento cerámico y una posterior sinterización por descarga de plasma. Una vez obtenidos, se realizó una caracterización detallada de sus microestructuras y se estudiaron sus propiedades dieléctricas en un amplio rango espectral (desde mHz a IR). Además, en el caso de los composites de ferrita/NFC se realizaron también estudios de resonancia ferromagnética. En primer lugar, dentro del sistema alúmina/NFC se estudió cómo el procesamiento de las NFC determina el comportamiento dieléctrico de los composites. Así, en el caso de las NFC molidas, se observó la existencia de un umbral de percolación bien definido alrededor del 4% de NFC, mientras que en el caso de las NFC no molidas todos los composites se encontraban percolados presentando conductividades entre 10-10-10-1 S¿cm-1. Esta diferencia se atribuyó a una rotura de las NFC durante el proceso de molienda, lo que dio lugar a fibras de menor longitud, aumentando el límite de percolación. En el sistema alúmina/NFC no molidas, se observó que la muestra con un contenido en NFC del 1% presentaba una conductividad superior a la del 2%. La explicación a este resultado se encontró en las diferentes microestructuras de las muestras. Dado que se empleó una temperatura de sinterización elevada (1500 ºC), el tamaño promedio de los granos de alúmina fue de 5.5 ¿m en la muestra con 1% de NFC. Sin embargo, la introducción de una mayor cantidad de NFC dio lugar a un bloqueo del crecimiento de los granos de alúmina más efectivo, denominado efecto pinning, reduciendo a 2 ¿m el tamaño de grano en la muestra del 2%. Este efecto modificó la distribución espacial de la fase conductora en el composite, lo que afectó en gran medida a la conductividad. Estos resultados se explicaron mediante un modelo teórico, basado en teorías de medios efectivos, con el que se observó que la conductividad de los composites no depende únicamente de la concentración de fase conductora sino también de la microestructura. Una vez que se estudió el comportamiento dieléctrico en composites cerámica dieléctrica/NFC, se añadió un grado más de libertad al sistema, tomando como matriz una cerámica dieléctrica ferromagnética. La temperatura de sinterización utilizada en el sistema ferrita/NFC (860 ºC) no fue lo suficientemente elevada como para favorecer el crecimiento de los granos de ferrita y, a diferencia de lo que ocurría en el sistema alúmina/NFC, todos los composites presentaron el mismo tamaño de grano por lo que, en este caso, la conductividad depende únicamente de la concentración de fase conductora presente. En este sistema también fue posible ajustar el valor de conductividad a lo largo de varios órdenes de magnitud, entre 10-5-100 S¿cm-1. Además, la muestra del 4% en volumen de NFC mostró un comportamiento electromagnético muy interesante, donde la constante dieléctrica tomó valores de 0 y 1 a una frecuencia de aproximadamente 100 MHz, lo que abre la posibilidad de emplear estos materiales en dispositivos amplificadores de señales o como materiales de protección de dispositivos electrónicos (invisibles dentro del rango de frecuencias en el que operen). Mediante la aplicación de un campo magnético externo se observó que es posible modificar la impedancia de este sistema, dando lugar a materiales sintonizables. Por último, mediante la adición de cantidades muy pequeñas de NFC a la matriz dieléctrica de ferrita, se indujo una conductividad en el sistema que a su vez dio lugar a la aparición de una antirresonancia ferromagnética en el rango de las microondas.