Características dos Materiais Nano Superisolantes
Com o progresso contínuo na pesquisa de isolamento, os nanomateriais superisolantes estão sendo desenvolvidos para aplicações práticas, industriais e de engenharia.
Esses produtos suprimem a transferência de calor por convecção por meio de estruturas nanoporosas, reduzem a condução térmica em fase sólida através de partículas ultrafinas e aglutinantes e, portanto, atingem condutividades térmicas significativamente inferiores à do ar.
As principais características dos nanomateriais superisolantes são as seguintes:
Quase todos os poros dentro do material devem ser menores que 100 nm.
Em materiais isolantes, o tamanho dos poros é o fator dominante que afeta o desempenho térmico. Somente quando a maioria dos diâmetros dos poros for inferior a 100 nm é que o material pode ser considerado um meio isolante nanoestruturado.
Mais de 80% dos poros devem ter tamanho inferior a 50 nm.
De acordo com a teoria do movimento molecular e das colisões, a transferência de calor em gases ocorre principalmente por meio de colisões entre moléculas de alta velocidade no lado quente e moléculas de baixa velocidade no lado frio.
Como o livre percurso médio dos principais componentes do ar (N₂ e O₂) é de aproximadamente 70 nm, quando o tamanho dos poros em materiais isolantes de sílica nanoporosa é menor que esse limite crítico:
- A convecção gasosa é essencialmente eliminada.
- As colisões e o movimento molecular são fortemente restringidos.
- A condução térmica na fase gasosa é fundamentalmente suprimida.
Dessa forma, o material pode atingir uma condutividade térmica inferior à do ar sem convecção.
O material deverá possuir uma densidade aparente muito baixa.
A baixa densidade reduz a quantidade de esqueleto sólido e encurta os caminhos de condução de calor dentro da fase sólida. Isso é crucial para alcançar uma condutividade térmica excepcionalmente baixa.
O material deverá apresentar condutividade térmica inferior à do ar parado, tanto à temperatura ambiente quanto nas temperaturas de serviço especificadas.
O ar parado tem uma condutividade térmica relativamente baixa, mas sofre com:
- Comportamento de convecção natural forte
- Alta transparência à radiação infravermelha.
Portanto, o ar sozinho não pode servir como um meio isolante eficaz. Materiais sólidos devem ser usados para restringir tanto a convecção de gases quanto a transmissão de infravermelho. No entanto, a maioria dos materiais sólidos apresenta condutividade térmica significativamente maior do que o ar.
Para minimizar a transferência de calor através da fase sólida, as estruturas sólidas que atuam como barreiras de gás devem ser o mais finas possível.
Resumo
Os materiais nano superisolantes apresentam as seguintes características:
- Estruturas de poros em nanoescala (tamanho do poro principal
- Supressão da convecção gasosa e da transferência de calor molecular
- Densidade aparente extremamente baixa
- Condutividade térmica inferior à do ar parado em uma ampla faixa de temperatura.
Os materiais típicos incluem aerogéis de sílica, placas de isolamento nano-microporosas e materiais porosos compostos de nanopartículas. Esses materiais são amplamente aplicados em eficiência energética de edifícios, equipamentos térmicos industriais, dutos, transporte em cadeia de frio e setores relacionados à energia.
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