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