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Materiais com Coeficiente de Expansão Térmica (CTE) alto, médio e baixo
Introdução
Os materiais mudam de tamanho quando são aquecidos ou resfriados. O grau de alteração é medido pelo coeficiente de expansão térmica. Um CTE alto significa que um material se expande muito quando é aquecido. Um CTE baixo significa que ele quase não muda.
Materiais com alto CTE
Os materiais com alto CTE se expandem visivelmente quando as temperaturas mudam. Alguns metais e a maioria dos plásticos estão nessa categoria.
Metais
O alumínio normalmente tem um CTE de cerca de 23 x10-⁶/K. O cobre geralmente tem 17 x10-⁶/K. O aço tem cerca de 11 a 13 x10-⁶/K.
Polímeros e plásticos
É provável que os plásticos tenham uma expansão térmica extremamente alta. Um exemplo inclui o polietileno, o polipropileno e o politetrafluoretileno (PTFE), que geralmente têm CTEs entre 50 e 200 x10-⁶/K. Esses tipos de materiais são usados na maioria das peças plásticas e em aplicações domésticas em que a expansão precisa ser levada em consideração durante o processo de projeto.
Os materiais com alto CTE são usados em objetos do cotidiano. Uma moldura de porta de alumínio pode precisar de folgas para não grudar nos dias quentes de verão. Os plásticos das embalagens balançam muito sob a luz do sol.
Materiais de CTE médio
Os materiais de CTE médio não incham tanto quanto os plásticos ou alguns metais, mas ainda mudam com a temperatura. Algumas cerâmicas e materiais compostos se enquadram nessa categoria.
Cerâmica
Cerâmicas como a alumina têm CTE de 5 a 8 x10-⁶/K. O valor do nitreto de silício é menor, de 3 a 4 x10-⁶/K. Essas peças são muito valorizadas por serem resistentes ao uso em altas temperaturas. As peças de cerâmica são empregadas em motores e dispositivos eletrônicos.
Materiais compostos
Os materiais compostos, como o polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) e o polímero reforçado com fibra de vidro (GFRP), são feitos para compensar a resistência e a menor expansão térmica. Eles são usados em componentes aeroespaciais e artigos esportivos em que a precisão das dimensões é importante.
Os materiais de CTE médio são uma compensação entre alta expansão e estabilidade rígida. Os engenheiros escolhem esses materiais quando é permitida uma mudança térmica moderada ou se houver consideração de custo.
Materiais com baixo CTE
Os materiais com baixo CTE alteram muito pouco a dimensão com a mudança de temperatura. Esses tipos de materiais são amplamente utilizados em aplicações de precisão.
Ligas e metais especiais
Uma liga específica como a Invar, que é uma liga de ferro-níquel feita com cerca de 36% de níquel, normalmente tem um CTE de cerca de 1 x10-⁶/K. O Invar é usado em instrumentação científica, relógios e outros componentes de precisão em que a alteração mínima é fundamental.
Vidros e cerâmicas
A sílica fundida, um vidro, tem um valor de CTE de cerca de 0,5 x10-⁶/K. O material de baixa expansão Zerodur também se enquadra nessa categoria. Esses materiais são usados em espelhos de telescópios, equipamentos de laboratório e dispositivos de precisão. Sua baixa expansão garante a precisão na mudança de temperatura.
Tabela ou gráfico comparando materiais de alto, médio e baixo CTE
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Categoria |
Exemplo de material(is) |
Faixa de CTE (x10-⁶/K) |
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Materiais de alto CTE |
Alumínio, cobre, aço; polietileno, polipropileno, PTFE |
Metais: 11-23; plásticos: 50-200 |
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Materiais de CTE médio |
Alumina, nitreto de silício; CFRP, GFRP |
Cerâmica: 3-8; Compostos: Moderado |
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Materiais com baixo CTE |
Invar; sílica fundida, Zerodur |
Ligas: ~1; vidros: ~0.5 |
Esse gráfico simplesmente fornece valores importantes. Ele ajuda a comparar qual material pode ser apropriado para um determinado requisito de projeto. Para obter mais informações, consulte a Stanford Advanced Materials (SAM).
Conclusão
Entenda o coeficiente de expansão térmica na seleção de materiais. Materiais com alto CTE, como a maioria dos plásticos e metais, mudam muito. Materiais com CTE médio, como cerâmicas e compósitos, equilibram expansão e resistência. Os materiais com baixo CTE, como o Invar e a sílica fundida, não se alteram muito com as diferenças de temperatura.
Perguntas frequentes
F: O que é o coeficiente de expansão térmica?
P: É uma medida da extensão em que um material se expande ou se contrai com as variações de temperatura.
F: Por que a expansão térmica é importante no projeto?
P: Ela afeta a precisão dimensional, o desempenho e a segurança de sistemas mecânicos ou elétricos.
F: Qual é o material com a menor expansão térmica?
P: A sílica fundida e as ligas especiais como Invar são conhecidas por terem baixa expansão térmica.
Chin Trento
