Propriedades Térmicas dos Materiais Cerâmicos

1- Ponto de fusão: proporcional à força das ligações químicas

2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica: É a quantidade de calor requerida para variar a temperatura de uma substância em 1º C.

[cal/g ºC] (O calor específico é adimensional, pois é dividido pela cap.

Térmica da água a 15ºC)

• A capacidade térmica depende de variáveis internas aos materiais como energia rotacional e vibracional dos átomos do material, mudanças de níveis energéticos dos elétrons.

• No entanto, observa-se pela figura ao lado q a capacidade térmica vai do valor zero à -273 ºC a 6 cal/g ºC próximo dos 1000ºC para uma grande variedade de materiais cerâmicos.

• No entanto a porosidade influencia muito o valor de “c”

2-Capacidade Calorífica (c) ou capacidade Térmica

• Em considerações práticas o fator que mais influencia é a porosidade, já que muitos cerâmicos maciços tem comportamento semelhante em relação à capacidade térmica.

• Como uma peça cerâmica com porosidade tem menor massa por volume que uma sem porosidade, a primeira necessita menor quantidade de calor para atingir uma

temperatura específica • Como resultado um forno revestido com material mais

poroso (um refratário por exemplo) pode ser aquecido e resfriado muito mais rapidamente e eficientemente

3- Condutividade Térmica

• É a taxa de fluxo calórico que atravessa o material. unidade: cal/s/cm2/ºC/cm ou W/mK.

• Nos metais os transportadores de energia são os elétrons livres que estão presentes em grande quantidade e são muito móveis, logo os metais são ótimos condutores de calor

• Nos cerâmicos a transmissão de energia térmica é realizada por “fonons”

• Os fonons são a quantificação da energia térmica transmitida pela vibração térmica da estrutura interna, ou designa um quantum de vibração em um retículo cristalino rígido.

• Cubo de sílica de isolamento térmico. O interior do cubo está a 1250ºC e pode ser manuseado sem proteção.

• Usada no isolamento térmico do Space Shuttle (ônibus espacial)

Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: Pesos atômicos

• Cerâmicos, como elementos puros, tem melhor condutividade que compostos (melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por fonons)

• Materiais cerâmicos com menor pesos atômicos e compostos de átomos com pesos atômicos próximos apresentam melhor condutividade (melhor empacotamento, mais fácil a transmissão por fonons)

• Exemplos: Diamante e grafita 900 W/mK (Cobre 400 W/mK)

• BeO SiC e B4C possuem pesos atômicos similares e condutividades altas (altas para cerâmicos, se aproximam da do aço)

• UO2 e ThO2 apresentam grande diferença entre os pesos de seus átomos e portanto baixa condutividade

Fatores que afetam a condutividade térmica dos cerâmicos: Efeito da temperatura

• Temperatura: em cerâmicos maciços (poucos porosos) a condutividade diminui com o aumento de temperatura (menor caminho livre médio)

• Em cerâmicos muito porosos aumenta com a temperatura (aumenta a parcela de transmissão por radiação através dos poros

Efeito da porosidade

• Como a condutividade nos poros acorre apenas por radiação, quanto maior a porosidade menor a condutividade térmica

• Com o aumento da temperatura aumenta a radiação através dos poros aumentando a condutividade

• Em tijolos refratários que em geral apresentam alta porosidade, possuem baixa condutividade térmica, constituindo-se em excelentes isolantes térmicos

Influência da formação de solução sólida na condutividade

Influência da presença de impurezas na

condutividade térmica

Influência da presença de mais de uma fase na condutividade térmica

• Fases paralelas: Km=V1K1+V2K2• A condutividade se aproxima do

melhor condutor entre as fases (cerâmicos com camada superficial)

• Fases perpendiculares: Km=K1K2/V1K1+V2K2

• A condutividade se aproxima da condutividade da fase menos condutora (cerâmicos com camada superficial)

• Fase dispersa: (muito comum em cerâmicos)

• Km=Kc{1+2Vd(1-Kc/Kd)/(2Kc/Kd+1) / 1-Vd(1-Kc/Kd)/(Kc/Kd+1)}

• A condutividade se aproxima da cond. da fase contínua

• Legenda: K1 cond. Fase 1 ; K2 cond. Fase 2 ; V1 e V2 Fração de vol. das fases ; Kc cond.da fase contínua ; Kd cond. da fase dispersa ; Vd vol. da fase dispersa

4- Expansão térmica

• Depende da força (energia) das ligações químicas, sendo inversamente proporcional.

• Logo as cerâmicas predominantemente covalentes são as que apresentam menor expansão térmica sofrendo menos problemas com choques térmicos

Expansão térmica

• α = ΔL/Lo/ΔT onde α é o coeficiente de expansão térmica, Lo é o comprimento, ΔL é a variação de comprimento, e ΔT é a faixa de temperatura relacionada.

• Unidade 1/ºC ou ºC-1