Vitrocerâmicas (glass ceramics) São materiais inorgânicos policristalinos contendo fração minoritária de fase vítrea, obtidos através da cristalização controlada de certos vidros (50 a 90% cristalinos em volume) A maioria dos vidros inorgânicos pode ser transformada do estado não cristalino para cristalino por um apropriado tratamento térmico devitrificação. Para alguns vidros o processo de devitrificação pode ser controlado para se obter um material de granulometria fina, livre de tensões residuais
No final dos anos 50 - pesquisador norte-americano Donald Stookey, da empresa Corning Glass, conduzia pesquisas com vidros fotocromáticos, desses que escurecem com a luz - pois têm minúsculos cristais de prata dispersos -, quando percebeu que havia deixado, por esquecimento, um par de lentes de óculos durante toda a noite num forno aquecido. Essas lentes ficaram opacas, completamente cristalizadas, pois haviam se transformado em outro material, muito mais resistente, que ele acabou chamando de vitrocerâmica ( glass-ceramics ). Nesse caso fortuito, a prata atuou como agente nucleante.
Vantagens: Facilidade de processamento do vidro Quando cristalizados vantagens das propriedades das fases cristalinas Cerâmicas altamente cristalinas são obtidas sem a retração associada com a sinterização. Baixa porosidade Exemplo - Corning Pyroceram - Vision 95% do volume de fase cristalina da família LiO 2 Al 2 O 3 - SiO 2 - espelhos dos telescópios Gemini (Chile e Havaí, EUA)
Vidro previne a cristalização Vitrocerâmica promove a cristalização da fase desejada Processo de cristalização: Dois processos físicos: 1. Nucleação dos cristais 2. Crescimento dos cristais A supressão desses processos é suficiente para formar um vidro
Diagramas TTT (tempo-temperatura-transformação) Descreve as taxas de resfriamento necessárias para prevenir cristalização detectável (fração volumétrica do cristal, Vc/Vtotal ~ 10-6 ) a taxa de cristalização total é reduzida para altas e baixas temperaturas Para T próximas a Tm taxa de nucleação é baixa devido a reduzida força motriz para cristalização Para T baixas cristalização novamente lenta, porque a velocidade de crescimento dos cristais é baixa.
Nucleação e Crescimento de cristais: Nucleação Formação de núcleos estáveis no fundido Crescimento Transformação de núcleos em cristais Formação de uma estrutura de grãos
Nucleação homogênea Próprio material fornece átomos para formar núcleos Subresfriamento usualmente de centenas de graus Celsius Nucleação heterogênea Presença de agentes nucleantes: superfície do recipiente, impurezas insolúveis, ou material estrutural Prática industrial: subresfriamento de 0,1 a 10 C
Nucleação e Crescimento de Cristais 2 4 G( r) 4 r r 3 3 sl G v sl é a energia de interface sólido-líquido G v é a variação de energia livre volumétrica de cristalização
Nucleação heterogênea A presença de superfícies externas e internas e outros defeitos, os quais atuam como pontos de nucleação, podem baixar drasticamente a supersaturação (superesfriamento) necessário para a cristalização
Mecanismos de Cristalização Volumétrica: Nucleação homogênea ou heterogênea Superficial: Nucleação heterogênea Cristalização volumétrica Cristalização superficial
Vitrocerâmicas Cristalização é estimulada por agentes nucleantes, os quais favorecem o crescimento de cristais sobre eles, formando uma interface coerente de baixa energia, na qual os planos da rede mantém sua continuidade através da interface. Sítios de nucleação heterogênea de baixa energia Processo para obter vitrocerâmicas: Cristalização controlada - Submeter o vidro a um controlado ciclo de tratamento térmico Seleção adequada da composição do vidro permitir nucleação volumétrica (não só superficial) crescimento do cristal deve ocorrer numa velocidade suficiente para evitar deformações na peça durante o tratamento térmico
Temperatura Processamento de vitrocerâmicas Fusão e conformação Crescimento Nucleação Tempo
Agentes nucleantes TiO 2, ZrO 2, P 2 O 5 Exemplos: Vidros da família Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 Pyroceram cristaliza duas fases diferentes β-spudomene como fase majoritária e soluções sólidas de quartzo-β Panelas Vision - contém quartzo-β como fase majoritária na forma de cristais menores que 0,1μm. Tamanho de cristais abaixo do comprimento de onda da luz visível, combinado com um bom índice de refração entre os cristais e a fase vítrea residual (alcançado com pequenos ajustes da composição) resulta num material transparente. Adição de metais de transição ou terras raras são adicionados quando se deseja cor