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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.