2.3.1. Princípios básicos das micro-ondas
O ambiente sempre está sob radiação eletromagnética proveniente de diferentes fontes, sejam naturais como o sol ou artificiais como antenas de rádio ou TV. Dentro do espectro eletromagnético, as micro-ondas, que são ondas de radiação não ionizante possuem frequências que vão de 300 MHz a 300 GHz, com períodos de 3 ns (3x10-9s) até 3 ps (3x10-12s) e comprimentos
onda de 1m a 1mm. Dentro desta faixa de frequências se incluem as bandas de radiofrequência (UHF, SHF, EHF) utilizadas em telecomunicação com frequências para transmissão de TV que vão entre 500-900 MHz e telefonia móvel entre 850-900 MHz e 1800-1900 MHz. A frequência de 2,45 GHz é utilizada para fornos devido ao fato de que a água e os alimentos podem absorvê-la e ser aquecidos [2,30].
Diversas áreas tecnológicas têm sido desenvolvidas baseadas nas micro-ondas como as telecomunicações, indústria alimentícia, indústria aeronáutica, entre outras. Algumas aplicações importantes, como, o RADAR (do inglês: Radio detection and Ranging) utilizado para a detecção remota de objetos com aplicabilidade na indústria aeronáutica, telefonia móvel e fornos de micro-ondas são os mais populares.
2.3.2. Sinterização por micro-ondas
No âmbito do processamento de materiais, as micro-ondas só começaram a ser aplicadas por volta de 1950, segundo Clark et. al. [31,32]
quando Spencer e Raytheon descobriram o funcionamento do forno de micro- ondas e na mesma época Levinson [33] utilizou esta radiação eletromagnética para o aquecimento de materiais cerâmicos [32]. Estes trabalhos mostraram que o aquecimento com a energia das micro-ondas era mais rápido, resultando em peças com igual e até melhores características quando comparadas com as peças processadas em fornos convencionais [31]. Vários fatores são até hoje importantes para o crescente interesse na utilização dos fornos de micro-ondas como meio para sinterizar materiais, como:
i. O potencial para a redução de custos na fabricação devido à economia de energia e curtos tempos de processamento,
ii. Uniformidade dos produtos e melhora da produtividade, iii. Microestruturas e propriedades diferenciadas, [34,35].
O fundamento físico do processo de aquecimento através das micro- ondas é diferente que o convencional. Enquanto os processos convencionais de aquecimento são realizados por mecanismos termodinâmicos, como convecção, irradiação e condução, que são gerados por uma fonte externa de calor, no aquecimento com micro-ondas o calor é gerado dentro do material, pela interação da matéria com a energia do campo eletromagnético [2,36,37,38]. Essa interação ocorre através dos vetores de campo elétrico e magnético que compõem as micro-ondas [39] que geram uma conversão de energia valendo-se da oscilação periódica desses campos causando tensões em átomos, íons e moléculas, originando o aquecimento [32]. Como resultado deste aquecimento interno e volumétrico, os gradientes e fluxo térmico nos materiais processados por micro-ondas são inversos aos que acontecem nos materiais processados de maneira convencional [2].
Uma grande parte dos materiais cerâmicos absorve pouco, ou nada, da energia das micro-ondas em temperatura ambiente, e esta característica está associada à estrutura e propriedades do material. Nesse sentido, materiais isolantes como Al2O3, MgO e SiO2 e vidros são classificados como
absorver as micro-ondas mais eficientemente que outros em temperatura ambiente; neste caso, materiais com propriedades magnéticas, como as ferritas, ou semicondutores são exemplos [31]. Ademais, as cerâmicas isolantes quando aquecidas até uma temperatura crítica, Tcri, podem absorver
mais eficientemente as micro-ondas, o que pode ser aproveitado para o desenvolvimento de técnicas de aquecimento híbrido utilizando-se materiais absorvedores como meio para aquecer o material até a temperatura crítica onde este pode interagir com as micro-ondas [2].
É visto que o aquecimento através das micro-ondas é um fenômeno de dissipação de energia eletromagnética através dos processos de polarização e condução, preferencialmente. Enquanto a polarização envolve deslocamento de curto alcance de cargas através da criação e rotação de dipolos (elétricos, magnéticos, se estão presentes), a condução envolve o deslocamento de longo alcance (comparado com a rotação de dipolos) de cargas [31]. Com respeito à polarização, o acoplamento com as micro-ondas gera três mecanismos importantes: (i) cargas espaciais resultantes da condução elétrica localizada; (ii) rotação de dipolos elétricos; e (iii) polarização iônica associada com vibrações de infravermelho distante [39]. Ambos os processos, a polarização e a condução, dão origem às perdas dielétricas que são produzidas pela condução iônica em baixas frequências e rotação de dipolos permanentes em altas frequências [31].
Os vários processos que contribuem para aumentar as perdas dielétricas são difíceis de diferenciar experimentalmente, portanto essas perdas são reportadas como perdas efetivas, eff, [31]. Esse fator é a combinação de todos
os mecanismos de polarização presentes durante o acoplamento com as micro-ondas [2]; no caso de materiais magnéticos, a presença de dipolos magnéticos gera um acoplamento com a componente magnética do campo proporcionando um mecanismo adicional de interação com as micro-ondas [31]. Comumente as perdas dielétricas são expressas através da tangente de perdas, tan , que indica quanto de energia pode ser transformada em calor [32], e está relacionada com a perda efetiva através da equação 2.12 [2].
tan eff r (2.12)
Onde
r
é a constante dielétrica relativa (sendo
r
0, com ’ comoa constante dielétrica e o=8,85x10-12 F/m como a permissividade do vácuo). A
tangente de perdas (tan ) é sensivelmente influenciada pela temperatura; dessa maneira, no início aumenta lentamente e se incrementa rapidamente quando é atingida a temperatura crítica, Tcri, permitindo mais rápida e eficiente
absorção das micro-ondas promovendo um incremento exponencial da temperatura, fenômeno conhecido como thermal runaway. O controle desse fenômeno é de extrema importância durante o processamento de materiais por micro-ondas, pois ele pode causar um indesejável aquecimento indiscriminado com formação de pontos de superaquecimento (hot spots) dentro do material provocando possíveis alterações estruturais do material, fusão em regiões específicas, tensões devido aos gradientes de temperatura [37]. A formação de hot spots durante o processamento do material por micro-ondas está relacionado com heterogeneidades composicionais e/ou densificação da amostra e a flutuações na intensidade do campo eletromagnético na câmara do forno acarretando heterogeneidades na distribuição durante a interação do campo com o material. Deste modo, a prevenção de hot spots depende do controle do aquecimento, especialmente do thermal runaway através do chaveamento da potencia da fonte de micro-ondas ou projeto de sistemas de micro-ondas e aplicadores para levar a energia das micro-ondas dentro do material e de maneira controlada [2].
Uma variável importante é a taxa de incremento da temperatura, que expressa quanto da energia absorvida pelo material quando interage com as micro-ondas foi convertida em calor, conforme a equação 2.13 [31] .
2 0 2 eff RMS P P f E T P t C C (2.13)
Onde, P é a potência absorvida por unidade de volume que expressa a quantidade de energia e a rapidez com que as micro-ondas podem ser absorvidas, e f a frequência de operação em Hz. É visto que, para frequências de 2,45GHz, a absorção de micro-ondas por parte dos materiais cerâmicos é ineficiente em temperatura ambiente com perdas efetivas de '' 2
10
eff
[31]. Noentanto, quando o material alcança a sua temperatura crítica, essas perdas se incrementam tornando-o capaz de interagir com as micro-ondas. Desse modo, o aquecimento híbrido assistido por micro-ondas é uma rota viável para a sinterização de materiais cerâmicos.