Propriedades térmicas

Silica fiber insulation material (1250 °C)High temperature reusable surface insulation (HRSI)

Propriedades físicas e térmicas

Materiais cerâmicos: aplicações x características físicas e térmicas

específicas

Ex.: Características dos tijolos refratários para Space Shuttle ultra-baixa densidade resistência a altas temperaturas alta resistência ao choque térmico baixa condução de calor

r, Tf propriedades físicas k propriedade térmicasCT combinação de propriedades térmicas e mecânicas

Tijolos refratários

750 xFibra de sílica amorfa: d=1 - 4 mm; l=300 mmr=0.14 g/cm3 (LI-900)r=0.35 g/cm3 (LI-2200) 78 sílica/22 AlBSi-fiber30.000 tijolos: 15x15/20x20; e=0.5-9 cm Cobertura: 70% área exterior

Densidade (r)Fatores que afetam a densidade:

⇁ tamanho e peso atômico dos elementos ⇁ fator de empacotamento ⇁ nível de porosidade

Definições: ⇁ Densidade cristalográfica: ideal, baseada na estrutura

cristalina específica, calculada a partir dos dados de composição química e espaçamento interatômico (raios-X)

⇁ Densidade teórica: material que contém porosidade microestrutural nula (considera

múltiplas fases, defeitos estruturais e solução sólida)

⇁ Densidade “bulk”: medida no corpo (inclui todas as porosidades, defeitos de rede e

fases) ⇁ Gravidade específica: medida em relação a densidade

de um volume idêntico de água a 4oC (cristalográfica ou teórica)

Cálculo densidade cristalográfica

a = 2rMg + 2rO

rMg = 86pm rO = 126pmVc = a3 Nav = 6,02 x 10 23

n´ = 4Mc = 24,31g/molMa = 16 g/mol

MgO Rock Salt

r = 4 (24,31 + 16,00) (424.10-10 )3 . 6,02 .1023

r = 3,51g/cm3

Cálculo densidade teórica

SiC Zinc Blend r = 4 (12,00 + 28,09)

(436.10 -10 )3 . 6,02 .1023

r = 3,21g/cm3

√(3) a = rc + ra

4rSi = 118 pm rC = 71pmVc = a3

NAv = 6,02 x 10 23

n´ = 4MSi = 28,09 g/molMC = 12 g/mol

Densidade volumétrica r = massa = massa

volume volume de sólidos + porosGeometrias simples: rc = mseca

p r 2 h

Geometrias complexas: Princípio de Arquimedes

a. Sem porosidade superficial: Volume exterior V = múmida - msuspensab. Com porosidade superficial:

recobrimento com material de r conhecido

método da fervura (5 h + 24 h resfriar) ASTM C373

Porosidade aparente P = múmida - mseca volume

Volume de material contíguo = mseca - msuspensa

Gravidade específica aparente T = mseca

mseca - msubmersa

Absorção d’água A = múmida - mseca mseca

Porosimetria Hg

green sample

120 minutes

0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

Cum

ulat

ed V

olum

e (m

l/g)

30 minutes

poro

sity

(%)

Pore Diameter (mm)

0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

60 minutes

0.001 0.01 0.1 1 10 100 10000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

240 minutes

0

5

10

15

20

25

15 minutes

Densidade teórica ⇁ material sinterizado de modo a não possuir mais

porosidade aberta ou fechadaconsistindo somente de uma mistura de fases (defeitos estruturais; solução sólida) representando

assim, uma condição de máxima densidade volumétrica para uma composição específica.

⇁ utilizada como referência para comparar com a densidade volumétrica encontrada para o material.

⇁ pode ser calculada se conhecidos a densidade cristalográfica e a fração volumétrica de cada fase sólida na microestrutura.Exemplo:

Um compósito cerâmico consiste de 30 vol.% SiCwhiskers em uma matriz de Al2O3. Estime a densidade teórica (DT) se a densidade cristalográfica do SiC é 3,22 g/cm3 e de Al2O3 é de 3,95 g/cm3.

Se a densidade volumétrica resultou em 3,65 g/cm3 qual o % de poros? Aberta ou fechada?

Dilatação térmica

Dl/l0 (%) x T Inclinação a qualquer T = aCte. para maioria das cerâmicasAnisotropia: “c”

DV/V0 (%) x T

Cristobalita, quartzo, zircônia e SiO2 amorfaMudanças em T: f (transformação de fase)

Dilatação térmica

Dilatação térmica

Capacidade calorífica (c)

Capacidade calorífica é a quantidade de calor requerida para aumentar a temperatura de uma substância em 1ºC [cal/°C]

Calor específico: razão entre a capacidade térmica do material em relação à da água a 15°C

A capacidade calorífica é determinada por efeitos de temperatura: - energia vibracional e de rotação dos átomos no material;- mudança do nível de energia dos elétrons na estrutura;- mudança de posição dos átomos durante a formação de defeitos de rede

(lacunas e intersticiais);- orientação magnética e transformação polimórfica.

Capacidade térmica

Dependência: estrutura composição

Prática: fator determinante é a porosidade ( material sólido/volume) menos energia para aquecer isolamento poroso que denso fornos com tijolo/isolamento fibroso poroso: maior rapidez T,

Condutividade térmica (k)

Condutividade térmica é a taxa de fluxo de calor que passa pelo material, sendo controlada pela:⇁ quantidade de energia presente (capacidade calorífica); ⇁ a natureza dos transportadores de calor (elétrons ou fonôns); ⇁ quantidade de dissipação (livre caminho médio).

k α c.ν.λ

Material k (W/m.K)Metais (Cu puro) 400

Polímeros 0,08 – 0,33Cerâmicos 0,010 – 2000

Condutividade térmica em cerâmicos

Elementos puros: grafite pirolítico e diamante Elementos com pesos atômicos similares: SiC e B4C Solução sólida: NiO em MgO

Condutividade térmica em cerâmicos

O efeito da dispersão de fases na condutividade depende da condutividade de cada fase e a distribuição das fases

1/ km = V1/ k1 + V2/ k2

km = kc ( 1 + 2Vd ( 1 – kc / kd)/( 2kc / kd +1)) 1 - Vd ( 1 – kc / kd)/( kc / kd +1)

km = V1. k1 + V2. k2

Condutividade térmica em cerâmicos

Poros são um caso especial de segunda fase. O ar é um mau condutor de calor; assim, a porosidade reduz a condutividade

térmica.

Cálculo da condutividade térmica

Exemplo: Uma ferramenta de corte de Al2O3 contém 35% em volume de partículas dispersas de TiC. As condutividades térmicas da Al2O3 e TiC são 25 e 100 W/m.K, respectivamente. Estime a condutividade térmica do material da ferramenta de corte.

Resolução: TiC = 100 W/m.K – 35% vol. Al2O3 = 25 W/m.K – 65% vol.

km = kc . ( 1 + 2Vd ( 1 – kc / kd)/( 2kc / kd +1)) 1 - Vd ( 1 – kc / kd)/( kc / kd +1)

km = 25. ( 1 + 2.0,35( 1 – 25 / 100)/( 2.25 / 100 +1)) = 42,7 W/m.K1 – 0,35 ( 1 – 25 / 100)/( 25 /100 +1)

Perguntas

Por que átomos de pesos atômicos diferentes que formam um determinado composto tendem a dispersar mais energia se comparados com átomos de pesos atômicos similares?

Por que nos materiais cerâmicos cristalinos e densos a condutividade térmica é inversamente proporcional à temperatura?