Síntese e caracterização de niobato de sódio utilizando partículas cristalinas e sub micrométricas de Nb₂O₅

Abstract

A crescente demanda por materiais piezoelétricos livres de chumbo tem impulsionado o desenvolvimento de alternativas ao titanato zirconato de chumbo (PZT), tradicionalmente utilizado em dispositivos eletromecânicos. Nesse contexto, o niobato de sódio (NaNbO₃, NN) destaca-se como um material promissor devido à sua estrutura perovskita e ao potencial de estabilização de fases ferroelétricas. Entretanto, a obtenção dessas fases depende diretamente das condições de processamento e da manutenção da estequiometria durante a síntese. Este trabalho teve como objetivo sintetizar e caracterizar o niobato de sódio por reação em estado sólido utilizando partículas cristalinas e submicrométricas de Nb₂O₅, investigando a influência da temperatura, do tempo de tratamento térmico e de desvios estequiométricos de sódio sobre a formação das fases cristalinas do sistema. Inicialmente, o precursor Nb₂O₅ foi submetido a tratamento térmico a 1000 °C para a maximização da presença da estrutura cristalina correspondente à fase monoclínica (H−Nb₂O₅). Em seguida, misturas reacionais de Nb₂O₅ e Na₂CO₃ foram processadas e tratadas termicamente em diferentes condições de tempo e temperatura. As amostras foram caracterizadas por difração de raios X, refinamento de Rietveld, espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier, microscopia eletrônica de varredura e análise de área superficial específica. Os resultados obtidos indicaram que a condição de síntese a 600 °C por 24 h foi a mais favorável para a formação da fase ferroelétrica ortorrômbica P2₁ma, apresentando a maior fração desta fase entre as condições avaliadas. Verificou-se também que a correção estequiométrica realizada com base na perda de massa dos precursores promoveu uma deficiência de sódio na mistura reacional, favorecendo a formação da fase intermediária Na₂Nb₄O₁₁. A eliminação dessa correção resultou em uma redução expressiva da fração da fase intermediária para 0,56%, acompanhada do aumento da fração ferroelétrica para 57%. Esses resultados evidenciam a forte influência do controle estequiométrico e dos parâmetros de tratamento térmico na formação e estabilização das fases cristalinas do NaNbO₃, contribuindo para o aprimoramento das rotas de processamento de piezocerâmicas livres de chumbo.

The growing demand for lead-free piezoelectric materials has driven the development of alternatives to lead zirconate titanate (PZT), which is traditionally used in electromechanical devices. In this context, sodium niobate (NaNbO₃, NN) stands out as a promising material due to its perovskite structure and its potential for stabilizing ferroelectric phases. However, the formation of these phases is strongly dependent on processing conditions and the maintenance of stoichiometry during synthesis. This study aimed to synthesize and characterize sodium niobate through a solid-state reaction route using crystalline and submicrometric Nb₂O₅ particles, investigating the influence of temperature, heat-treatment duration, and sodium stoichiometric deviations on the formation of crystalline phases within the system. Initially, the Nb₂O₅ precursor was subjected to heat treatment at 1000 °C to maximize the presence of the monoclinic crystalline structure (H-Nb₂O₅). Subsequently, reaction mixtures of Nb₂O₅ and Na₂CO₃ were processed and heat-treated under different time and temperature conditions. The samples were characterized by X-ray diffraction, Rietveld refinement, Fourier-transform infrared spectroscopy, scanning electron microscopy, and specific surface area analysis. The results indicated that the synthesis condition of 600 °C for 24 h was the most favorable for the formation of the orthorhombic ferroelectric P2₁ma phase, yielding the highest fraction of this phase among the evaluated conditions. It was also observed that the stoichiometric correction based on precursor mass loss promoted sodium deficiency in the reaction mixture, favoring the formation of the intermediate Na₂Nb₄O₁₁ phase. Eliminating this correction led to a significant reduction in the intermediate phase fraction to 0.56%, accompanied by an increase in the ferroelectric phase fraction to 57%. These findings demonstrate the strong influence of stoichiometric control and heat-treatment parameters on the formation and stabilization of crystalline phases in NaNbO₃, contributing to the optimization of processing routes for lead-free piezoceramics.