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 térmica sCT  combinação de propriedades térmicas e mecânicas

Tijolos refratários 750 x Fibra de sílica amorfa: d=1 - 4 mm; l=300 mm r=0.14 g/cm3 (LI-900) r=0.35 g/cm3 (LI-2200) 78 sílica/22 AlBSi-fiber 30.000 tijolos: 15x15/20x20; e=0.5-9 cm Cobertura: 70% área exterior

Densidade (r) Fatores que afetam a densidade: Definições: ⇁ 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 = 126pm Vc = a3 Nav = 6,02 x 10 23 n´ = 4 Mc = 24,31g/mol Ma = 16 g/mol MgO  = 4 (24,31 + 16,00) (424.10-10 )3 . 6,02 .1023  = 3,51g/cm3 Rock Salt

Cálculo densidade teórica √(3) a = rc + ra 4 rSi = 118 pm rC = 71pm Vc = a3 NAv = 6,02 x 10 23 n´ = 4 MSi = 28,09 g/mol MC = 12 g/mol SiC Zinc Blend  = 4 (12,00 + 28,09) (436.10 -10 )3 . 6,02 .1023  = 3,21g/cm3

Densidade volumétrica r = massa = massa volume volume de sólidos + poros Geometrias simples: rc = mseca p r 2 h Geometrias complexas: Princípio de Arquimedes a. Sem porosidade superficial: Volume exterior V = múmida - msuspensa b. 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

Densidade teórica ⇁ material sinterizado de modo a não possuir mais porosidade aberta ou fechada consistindo 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 DV/V0 (%) x T Inclinação a qualquer T = a Cte. para maioria das cerâmicas Anisotropia: “c” DV/V0 (%) x T Cristobalita, quartzo, zircônia e SiO2 amorfa Mudanças 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 – 0,33 Cerâmicos 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 km = V1. k1 + V2. k2 km = kc ( 1 + 2Vd ( 1 – kc / kd)/( 2kc / kd +1)) 1 - Vd ( 1 – kc / kd)/( kc / kd +1) 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.K 1 – 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?