Estrutura de vidros. Prof. Dr. Eduardo Bellini Ferreira PPG-CEM USP São Carlos

Transcrição

1 Estrutura de vidros Prof. Dr. Eduardo Bellini Ferreira PPG-CEM USP São Carlos

2 O que é o vidro? Vidro: material sólido não-cristalino que apresenta o fenômeno da transição vítrea. Legenda: Silício Oxigênio Sílica cristalina (Quartzo, Areia) Sílica vítrea (Vidro)

3 Cristal x Vidro Tetraedro de SiO 2 Quartzo

4 Volume Resfriamento lento de um líquido Líquido Sólido cristalino T fusão Temp.

5 Volume Resfriamento rápido de um líquido Líquido Líquido Super-resfriado Sólido cristalino T fusão Temp.

6 Volume Resfriamento rápido de um líquido Líquido Líquido Super-resfriado Vidro Sólido cristalino T g T fusão Temp.

7 Cristal x Vidro Vidro de sílica SiO 2 Tetraedro de SiO 2

8 Comprovação experimental

9 Efeito modificadores

10 Técnicas de fabricação vidros

11 Técnicas de fabricação vidros

12 Volume Transição Vítrea T g líquido líquido super-resfriado vidro cristalização cristalização2 material cristalino T g T fusão Temp.

13 Relaxação estrutural e temperatura fictícia Relaxação estrutural a mudança no valor de qualquer propriedade com o tempo, após uma perturbação qualquer. Temperatura fictícia temperatura que corresponde ao equilíbrio da estrutura congelada do vidro. Na lousa!

14 Características dos vidros Não têm um ponto de fusão (ou liquidus) verdadeiro. Isotrópicos as propriedades são não dependem da direção. Viscosidade, coeficiente de expansão térmica, volume específico, índice de refração, etc. variam linearmente com a composição química.

15 Viscosidade Resistência de um líquido à deformação causada por uma tensão cisalhante Unidades: Poise (P) (CGS) água = 1cP Pa.s (SI) 1 cp = 1 mpa.s 1 P = 10-1 Pa.s Quanto maior a viscosidade, maior a resistência ao escoamento

16 Viscosidade Uma das propriedades mais importantes do ponto de vista do processo de fabricação de vidros Muda dramaticamente com a mudança da temperatura Pode variar 20 ordens de magnitude A viscosidade da água a 20 C é muito próxima de 1 centipoise (1 cp; valor exato: 1,002 cp)

17 Viscosidade de líquidos (a 20 C) (Pa s) álcool etílico... 0, acetona... 0, metanol... 0, álcool propílico... 2, benzeno... 0, água... 1, nitrobenzeno... 2, mercúrio... 17, ácido sulfúrico óleo de oliva óleo de rícino... 0,985 glicerol... 1,485 polímero derretido piche vidro

18 A viscosidade determina as condições de fusão a homogeneidade do vidro o regime de temperaturas para Conformação Recozimento Têmpera térmica a máxima temperatura para se evitar a devitrificação

19 Um processo industrial pode ser associado ao seu gradiente de velocidade Processo Gradiente de velocidade (s -1 ) Moldagem 0,1-10 Extrusão Estiramento de fibra

20 Pontos de viscosidade importantes para os fabricantes de vidro

21 Pontos de viscosidade importantes para os fabricantes de vidro

22 Métodos de medida de viscosidade

23 Métodos de medida de viscosidade

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25 Tipos de vidros

26 Vidro soda-cal-sílica

27 Vidros ao chumbo ( cristais )

28 Vidros borosilicatos

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30 Tensões residuais vs. Recozimento resfriamento aquecimento

31 Dependência da taxa de resfriamento

32 Recozimento

33 Recozimento

34 Viscosidade versus Tempo de relaxação estrutural Viscosidade ( T ) ( T G ) Tempo de relaxação estrutural Módulo de cisalhamento a uma taxa infinita (resposta elástica instantânea) = 30 GPa.

35 Viscosidade versus Tempo de relaxação estrutural Vidros fluem à temperatura ambiente? ( T) ( T) G Em (T g ) = Pa.s T g = 816 K (T g ) = 2 x anos Ou seja, muito maior que a unidade do Universo ~10 10 anos! Zanotto, E. D. Do cathedral glasses flow? Am. J. Phys. 66 (1998) Zanotto, E. D. & Gupta, P. K. Do cathedral glasses flow? Additional remarks 67 (1999)

36 A cristalização acima de T g ocorre a uma dada taxa... Cinética de transformação de fases de acordo com Johnson, Mehl, Avrami e Kolmogorov: 4 3 ( t) 1 exp Iu t 3 4 (t) = fração volumétrica cristalizada I = taxa de nucleação u = taxa de crescimento t = tempo

37 Cinéticas calculada versus experimental

38 Critério para formação de vidros

39 Devitrificação (cristalização descontrolada)

40 Volume Cristalização do vidro Líquido Líquido Super-resfriado Vidro Devitrificação ou Vitrocerâmica T g T fusão Temp.

41 Vitrocerâmicas Cerâmicas obtidas a partir da cristalização controlada de vidros Nucleação e crescimento Muitos núcleos Poucos núcleos

42 E se controlarmos a cristalização...

43 Exemplos de Vitrocerâmicas Macor / Corning Zerodur / Schott Substrato HD / Corning Ceran / Schott Otawa Dental Lab. Vision / Corning Fotoceram / Corning

44 b-quartzo SS (Li,R)O.Al 2 O 3.nSiO 2 onde R = Mg 2+, Zn 2+ e n = 2 a 10 Vision Zerodur, Ceram e Robax Narumi e Neoceram Keraglas e Eclair Corning EUA Schott Alemanha NEG Japão Eutokera Corning/St. Gobain

45 VLT telescope in Chile (8.2 m mirrors with adaptive optics) Dr. Mark J. Davis On the road to Cerro Paranal, Chile Mirror fabrication in Mainz, Germany (

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