A Condutividade Térmica da Alumina

A condutividade térmica da alumina depende de vários factores, incluindo a sua densidade e porosidade. Compreender a sua relação com as vias de condução térmica é crucial para otimizar o desempenho global de transferência de calor dos componentes compósitos.

Além disso, a adição de grafeno a materiais prensados a quente resulta numa diminuição da condutividade térmica quando medida perpendicularmente ao eixo de prensagem para materiais com igual teor de grafeno (Figs. 2-4). Esta diminuição é provavelmente uma consequência da anisotropia microestrutural imposta pela orientação dos flocos de grafeno na matriz.

Capacidade térmica específica

A capacidade calorífica específica (CCE) de um material mede a quantidade de energia necessária para aumentar a sua temperatura num grau Celsius, expressa em Joule por quilograma de massa. A CCE desempenha um papel essencial nos cálculos termodinâmicos, bem como no cálculo da quantidade de energia necessária para alterar o volume ou a pressão das amostras.

A alumina é um material cerâmico excecionalmente popular, utilizado em inúmeras aplicações. Conhecida pelas suas propriedades superiores de isolamento elétrico, elevada resistência mecânica e durabilidade química, a alumina é utilizada em todas as indústrias, incluindo a metalúrgica, a aeroespacial e a cerâmica - com tamanhos e formas adaptados especificamente a requisitos de aplicação específicos.

A excelente maquinabilidade da alumina permite-lhe ser moldada em formas complexas, tornando-a adequada para o fabrico de componentes e produtos de elevado desempenho. A sua limpeza é simples e oferece uma elevada resistência à corrosão - estas qualidades fazem da alumina um excelente material de substrato para aplicações em circuitos microelectrónicos devido à sua rentabilidade e qualidades técnicas.

Esta investigação explora o efeito do tamanho e da concentração de nanopartículas de alumina (NP) na capacidade térmica específica (SHC) de nanofluidos de alumina à base de sais fundidos, com resultados que mostram uma diminuição da SHC com o aumento do tamanho ou da concentração de NP, consistente com resultados de investigações anteriores; esta redução pode ser atribuída a efeitos de nano-camada melhorados devido a tamanhos de partículas mais pequenos.

O comportamento reológico e a capacidade térmica específica isobárica também foram avaliados nos fluidos à base de nanopartículas de alumina. Os nossos resultados demonstraram que o fluido de base apresenta um comportamento newtoniano, enquanto as suspensões que contêm nanopartículas apresentam viscosidades não newtonianas. Os fluidos à base de nanopartículas apresentam, em geral, capacidades caloríficas específicas (CCE) significativamente mais baixas, a níveis de concentração e temperatura semelhantes, do que os fluidos de base, enquanto as CCE dos fluidos à base de NP de alumina apresentam fortes correlações com a temperatura e a carga. Este facto pode ser explicado pela evolução morfológica das nanopartículas de alumina durante o seu processo de produção, conduzindo a resultados promissores para a utilização da alumina como um material eficaz para aplicações de armazenamento de energia térmica. A investigação futura deve centrar-se no estudo da forma como as propriedades físicas, como a porosidade e a densidade, afectam o SHC da alumina.

Dependência da temperatura

A condutividade térmica da alumina depende fortemente da sua temperatura. A temperaturas mais elevadas, a sua condutividade térmica diminui, devido à sua estrutura cristalina mais estável, formada a temperaturas mais baixas por iões de alumínio metálico e de oxigénio que se unem em ligações covalentes que formam a sua cristalinidade; estas ligações conferem à alumina excelentes propriedades mecânicas e químicas, incluindo elevados pontos de fusão, níveis de dureza e resistência a ácidos inorgânicos fortes, como os ácidos ortofosfórico e fluorídrico.

A condutividade térmica da alumina depende fortemente da sua estrutura cristalina e da sua porosidade; em particular, daquelas que contêm elevadas concentrações de fase g e porosidade. À temperatura ambiente, a sua condutividade térmica é, em média, de 1200 W/mK; este valor diminui com o aumento da temperatura devido à formação de estruturas cristalinas de fase g, bem como à redução de partículas formadoras de poros.

A alumina pode ser utilizada numa vasta gama de aplicações e as suas propriedades térmicas variam consoante as alterações de temperatura. As utilizações comuns da alumina incluem fornos e refrigeradores, bem como aplicações eléctricas e electrónicas. Devido à sua baixa condutividade térmica e excelentes propriedades isolantes, a alumina é um excelente material para fornecer processos de arrefecimento com processos de arrefecimento enquanto serve como material de isolamento elétrico.

Existem vários métodos disponíveis para melhorar as propriedades térmicas da alumina, tais como a alteração do tamanho do grão ou a alteração da sua composição química. Por exemplo, a produção de pó com grãos mais pequenos e maior área de superfície aumentará a condutividade térmica, enquanto uma pasta mais espessa com volumes de poros mais elevados e densidades mais baixas pode proporcionar melhorias ainda maiores.

Outra forma de aumentar a condutividade térmica da alumina é utilizar compósitos maquináveis de nitreto de alumínio (AlN). Este material reduz a fragilidade ao mesmo tempo que oferece condutividades térmicas superiores a 92 W/mK. No entanto, o AlN é dispendioso e complexo de maquinar devido aos requisitos tóxicos e especializados de utilização de nitrogénio durante o processamento - o que significa que apenas algumas aplicações criogénicas o utilizam normalmente.

Porosidade

A condutividade térmica da alumina varia consideravelmente em função da dimensão dos poros e das fissuras, uma vez que os poros mais pequenos têm uma área de superfície reduzida e estão rodeados por mais material sólido; por conseguinte, absorvem mais calor, enquanto os poros maiores irradiam mais facilmente o calor, o que conduz a uma condutividade térmica global mais baixa.

A porosidade da alumina depende fortemente da sua composição, dos métodos de fabrico e da temperatura/nível de pureza. Apesar de os engenheiros poderem tentar alterar a sua porosidade alterando estes factores, fazê-lo na prática é muitas vezes um desafio devido à necessidade de pós de alta qualidade/métodos de produção que atinjam consistentemente níveis de porosidade e composição química consistentes em cada lote.

A alumina porosa tem múltiplas utilizações em aplicações de engenharia, desde lâminas de turbinas a gás e queimadores até conversores catalíticos e produção de energia. É frequentemente utilizada para dessalinização e produção de energia, bem como para aplicações de dessalinização de água que exigem pressões e temperaturas elevadas, processos de dessalinização de água e operações de produção de energia que exigem temperaturas e pressões elevadas. Além disso, a alumina porosa oferece uma excelente resistência química, estabilidade dimensional e uma densidade inferior à da alumina densa, o que a torna muito mais simples e fácil de manusear e manipular; além disso, resiste à flexão sob carga, o que a torna uma excelente escolha de material para aplicações de componentes estruturais.

Um dos métodos mais fáceis e precisos de aferir a porosidade da alumina é examinar imagens SEM de secções transversais de amostras. Isto permitirá aos utilizadores identificar vários tipos de poros e fissuras dentro de um revestimento, ajudando a determinar a sua composição global e tornando possíveis medições precisas utilizando sistemas de imagem térmica ou equipamento semelhante.

Uma forma de medir a porosidade da alumina é através de um teste de permeabilidade ao ar. Esta técnica não destrutiva mede a capacidade do material para absorver e reter hélio ou água a temperaturas específicas num determinado intervalo. Este teste pode ajudar a medir valores normais e anormalmente elevados de porosidade em materiais de alumina.

Pureza

A alumina é uma cerâmica de engenharia com várias propriedades desejáveis, incluindo isolamento elétrico, força, refractariedade e resistência à corrosão - o que a torna adequada para aplicações que incluem dispositivos médicos.

Uma das razões é a sua elevada condutividade térmica, embora os valores exactos desta propriedade dependam tanto da estrutura cristalina como dos níveis de impureza do material utilizado. Por conseguinte, é crucial que os utilizadores saibam como a temperatura afecta a sua condutividade térmica antes de tomarem decisões relativas à sua utilização.

Regra geral, quanto mais elevado for o nível de pureza de um material de alumina, melhor será a sua condutividade térmica. Além disso, os elementos de liga utilizados e os seus estados têm aqui um papel importante - por exemplo, o níquel pode diminuir a condutividade térmica devido à sua existência na fase Al2Ni, que tem uma condutividade térmica inferior [1].

A temperatura tem uma influência significativa na pureza da alumina. Isto deve-se ao facto de o seu ponto de fusão aumentar com a temperatura devido a alterações na sua microestrutura; especificamente, à medida que a temperatura aumenta, aumenta também a concentração de fase g e a subsequente diminuição da porosidade; em última análise, conduzindo a uma diminuição da capacidade térmica específica baseada na massa do material.

A conceção com alumina requer o conhecimento das suas subtilezas, uma vez que estas podem ter um impacto direto no seu desempenho final, especialmente para aplicações de elevado desempenho. Como tal, é aconselhável consultar os dados técnicos fornecidos pelos fabricantes ou realizar testes específicos ao considerar a utilização deste material para uma aplicação - desta forma, pode ter a certeza de obter um desempenho ótimo e tomar uma decisão informada sobre qual a variante de alumina que melhor serve as suas necessidades de aplicação.