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Propriedades térmicas dos MateriaisCerâmicos

Na maioria das vezes as aplicações dos materiais cerâmicos sãodefinidas pelas propriedades térmicas sendo as mais solicitadas:

- Isolação térmica- Resistência ao choque térmico- Refratariedade

Os conceitos que devem ser bem entendidos oara se ter sucessona escolha de um material para uma determinada aplicação são:

- Capacidade calorífica- Coeficiente de expansão térmica- Condutividade térmica


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A tem eratura na ual a ca acidade calorífica se torna

constante = 5,96 ou varia lentamente com a temperaturadepende de:

- Força de ligação

- Constante elástica- Ponto de fusão

Porem, não depende da estrutura cristalina


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• Os metais se aproximam de 5,96 em torno da temperaturaambiente e os materiais cerâmicos em torno de 1000°C.

• O valor constante (5,96) representa a contribuiçãovibracional. Em temperaturas mais altas o desenvolvimentode defeitos Schottky e Frenkel e contribuições da energia

capacidade calorífica para valores maiores que 5,96.


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Expansão térmica

O volume de qualquer cristal aumenta com o aumento datemperatura e este aumento é determinado principalmentepelo aumento da amplitude de vibração em torno de uma

posição média.A curva da energia de um cristal em função da separaçãoentre os íons é assimétrica visto que a repulsão entre os íons

.

1

Ca +2


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α

α

,

dT al

dl L

= dT v

dvV

α =

T al

l L

∆=∆

0

T

v

vV

∆=∆

α

0

Valores absolutos do coeficiente

de expansão estão intimamente

relacionados com a estrutura

cristalina e a força de ligação.


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4

5

6

é r m

i c a

L i n e a r

Alumina

0 200 400 600 800 1000 1200

1

2

% E

x p a n s ã o

T

T (°C)


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Existem relações gerais entre expansão térmica, estrutura e

outras propriedades dos materiais. Exemplos:

1- Coeficiente de expansão térmico e calor específico : Avariação do volume devido a vibração da rede estáintimamente relacionada com o aumento de energia portanto avariação do coeficiente de expansão térmico α com atemperatura é paralela à variação da capacidade calorífica,

s o , am os possuem a mesma epen nc a com atemperatura


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2- A fusão ocorre quando a rede cristalina se expande

demasiadamente e se torna instável. Este grau de expansão é

praticamente o mesmo para todos os cristais que possuem

estrutura cristalina e tipos de ligação semelhantes, diminuindocom o aumento da covalência e da complexidade da estrutura.


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Coeficientes de expansão muito baixos ou mesmo negativos

são atribuídos à presença de estruturas abertas de modo quequando a temperatura aumenta o movimento térmico de um

átomo no cristal ocorre principalmente no espaço onde as

forças que atuam nele são relativamente pequenas em vez de

ocorrer em uma determinada direção que liga-o a um de seus

vizinhos (as estruturas abertas absorvem a energia vibracionalatravés dos modos transversos das vibrações). Os átomos

vizinhos de ambos os lados do íon considerado não são

forçados a se separar dele como seria se todas as direções

fossem equivalentes. A β-sílica e cristobalita, que contém

anéis abertos de 6 tetraedros SiO 4 ilustra este conceito.


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Materiais que apresentam estruturas em forma de camadas

apresentam elevado coeficiente de expansão na direçãonormal às camadas onde não há forças fortes para se oporem

à expansão. Em corpos policristalinos desses materiais ocorre

uma orientação aleatória dos grãos de maneira que direções

com maior coeficiente de expansão têm interfaces com

direções de menor coeficiente de expansão. O valor resultantedo coeficiente de expansão deste material será muito menor

do que o valor médio dos dois valores de α.

α normal às camadas = 41 x 10 -6 °C -1

α paralelo às camadas = -2,3 x 10 -6 °Cα nitreto de boro policristalino= 2,0 x 10 -6 °C


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Boron Nitride Properties

High thermal conductivity

High electrical resistance

Boron Nitride Engineering Properties*

Microwave transparency

Non toxic

Easily machined — non abrasive and lubricious

Chemically inert

Not wet by most molten metals


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.

.

.

.

.

/ , α/α

.


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Coeficientes de expansão linear de CERÂMICAS(Valores típicos pois valores absolutos dependem da microestrutura)

Cerâmica αL médio na faixa 0-1.000 C

x 106 C -1MgO

ZrO 2 cúbicaBeOAl2O3MgAl2O4 (espinélio)

13,5

10,09,08,87,6

Por que silicatospossuem coeficiente de

Al2TiO5

Porcelana3Al2O3.2SiO 2ZrSiO 4

SiCTiC

B4C

0,8

6,05,34,2

4,77,4

4,5

óxidos?

Por que covalentespossuem coeficiente deexpansão menor queóxidos?


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Condução térmica em cerâmica

A condutividade térmica K é a constante de proporcionalidade entre

a transferência de calor por unidade de área e o gradiente de

temperatura.

K = s c λ / 3 s = calor específico do material

c = velocidade do portador de calor

λ = caminho livre médio do portador


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Em cerâmicas existem dois tipo de portadores:

fonons: em baixa temperatura (até ~ 1.000 °C)

fotons: em alta temperatura (> 1.000 °C)

Fonons, principal portador de calor em cerâmicas, é resultante davibração da rede. Os fonons se comportam como ondas elásticas e

“ ”

caminho livre médio λ que é a distância que o fonon caminha antesde ser difratado pelas irregularidades do reticulado cristalino ou

espalhado devido à interação fonon-fonon.


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Condutividade térmica de um cristal de alumina

Em T muito baixa o caminho livre médio

do fonon é da mesma ordem de

magnitude que o corpo porém o calor

específico tende a zero e a

condutividade tende a zero a 0 °K . Para

condutividade atinge um máximo. Se a

temperatura continua aumentando o

caminho livre médio diminui para um

valor próximo do espaçamento da rede e

a partir deste ponto a condutividade

independe da temperatura.


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Influência da estrutura e composição na condutividade

térmica

Materiais com estrutura complexa têm maior tendência para

espalhamento dos fonons e, consequentemente, menorcondutividade térmica.

xemp o: sp n o g

2 3 possu con u v a e menor

que do Al 2O3 e MgO apesar de possuírem

estrutura cristalina, coeficiente de expansão,capacidade calorífica e elasticidade semelhantes.


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Influência do Contorno de grão na condutividade térmica


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Influência da porosidade na condutividade térmica

A porosidade é uma “fase” de baixa condutividade térmica

pelos fonons comparada com a fase sólida. A condutividadedecresce linearmente com a porosidade.


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Condutividade térmica através de fotons

Toda carga em movimento emite radiação eletromagnética.

Fótons são radiações (ondas) emitidas pelo material e as

principais características são:- Energia (E)

-

- Frequência ( ν )

A temperatura na qual a condução por fótons passa a ser

significativa depende da capacidade do material em absorvere/ou espalhar a radiação gerada. Em cerâmicas estemecanismo de condução se torna importante em T > 1000 °C.

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