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 que 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 para
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
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•
•
Cerâmicos, como elementos puros,
tem melhor condutividade que
compostos (melhor empacotamento,
mais fácil a transmissão por fonons)
(diamante e grafita)
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.
Quanto maior o percentual solubilizado menor a
condutividade térmica
Influência da presença de impurezas na
condutividade térmica: quanto maior o percentual
de impurezas pior a condutividade
Influência da presença de mais de uma fase
na condutividade térmica
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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