ESTRUTURA E FORMAÇÃO DOS VIDROS
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ESTRUTURA E FORMAÇÃO DOS VIDROS
PMT5783 ESTRUTURA E FORMAÇÃO DOS VIDROS Samuel Toffoli PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 1 Sumário Estrutura e formação dos vidros Vidros industriais Vidros sodo-cálcicos Vidros boratos Vidro ao chumbo Fabricação Processos secundários Têmpera Laminamento PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 2 ESTRUTURA E FORMAÇÃO DOS VIDROS PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 3 Definições ASTM: produto inorgânico de fusão que foi resfriado até atingir condição de rigidez, sem cristalizar-se. Shelby: an amorphous solid completely lacking in long range, periodic atomic structure, and exhibiting a region of glass transformation behavior. James E. Shelby - Introduction to Glass Science and Technology, 2nd Edition - The Royal Society of Chemistry, London, 2005 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 4 Vidros Assim: Não há somente vidros inorgânicos Estruturas muito dependentes da história de processamento Vidros de óxidos e até mesmo semicondutores covalentes amorfos (tais como Si, Ge): guardam semelhanças com suas respectivas estruturas cristalinas (possuem unidades estruturais repetidas) Continuous Random Network Tratada mais adiante... PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 5 Vidros Para metais: Estruturas dos vidros muito diferentes das estruturas cristalinas correspondentes Random Close-Packed Atomic Arrays Não têm ordem nem na primeira vizinhança PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 6 Formação dos Vidros Questão: CINÉTICA x TERMODINÂMICA Vidros óxidos comerciais: resfriamento alguns °C/min Vidros metálicos: > 106 °C/s Ou seja, a questão é evitar-se a cristalização!! Porém, vidros também podem ser obtidos por: CVD PVD Sol-gel Irradiação e bombardeamento com íons = amorfização Oxidação do Si (geralmente resulta em SiO2 amorfo) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 7 Formação dos Vidros Todos esses outros processos (além da fusão e resfriamento) levam a materiais vítreos ou amorfos, mas com estruturas e propriedades que podem ser muito diferentes daquelas dos materiais obtidos pela rota da fusão. Na verdade, a maior parte dos vidros resultando em monolitos, são resfriados de fundidos! Resfriamento de um líquido: rearranjos podem ser difíceis num tempo razoável, principalmente quando a viscosidade do líquido é alta: PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 8 Volume específico, entalpia, etc. Formação dos Vidros Líquido no equilíbrio Líquido metaestável Transição vítrea Vidro Abaixo da Tg cessam quaisquer modificações na configuração dos tetraedros (se sílica) Cristal Temperatura Tg Tf PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 9 Formação dos Vidros Volume específico (dT/dt)1 < (dT/dt)2 < (dT/dt)3 (dT/dt)3 (dT/dt)2 (dT/dt)1 Tg1 Tg2 Faixa de transformação Tg3 Temperatura Tg = temperatura de transição vítrea (frequentemente chamada apenas de “temperatura de transformação”) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 10 Continuous Random Network Zachariasen, 1932 SiO2 = típica: a curta distância, idêntica tanto na sílica cristalina como na amorfa! • Ângulo Si-O-Si de 109°28’ • Completa conectividade da estrutura • Mas pode não dar em estrutura cristalina rCa 0,4 rAn PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 11 Continuous Random Network SiO2 Cristalina Vítrea W. H. Zachariasen – The atomic arrangement in glass – Am. Chem.de Soc. 54, 3841(1932) PMT5783 –J.Fundamentos Ciência e Engenharia de Materiais 12 Continuous Random Network Zachariasen, 1932 As quatro regras para determinar se o óxido de um metal vai resultar em estrutura do tipo CRN: 1. No oxygen atom may be linked to more than two cations 2. The cation coordination number is small: 3 or 4 3. Oxygen polyhedra share corners, rather than edges or faces 4. For 3D networks, at least three corners of each oxygen polyhedra must be shared Prediz corretamente B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, etc. Formadores de Rede PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 13 Continuous Random Network Formadores Modificadores Intermediários SiO2 GeO2 B2O3 Li2O Na2O K 2O Al2O3 PbO ZnO P2O5 As2O3 As2O5 V2O5 CaO BaO CdO TiO2 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 14 •Tabela segundo o critério de energia de ligação individual, de Sun: K.-H. Sun – Journal of the American Ceramic Society 30, 277(1947) Limitações: não explica os vidros de calcogênios e nem os vidros metálicos PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 15 Continuous Random Network Formadores Modificadores Intermediários SiO2 GeO2 B2O3 Li2O Na2O K 2O Al2O3 PbO ZnO P2O5 As2O3 As2O5 V2O5 CaO BaO CdO TiO2 • Trazem O extra • Não participam da rede • Perda de interconectividade da rede Formação de oxigênios pontantes e não-pontantes (bridging e non-bridging) • Temperatura de fusão cai, mas • Propriedades também “caem” PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 16 Continuous Random Network PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 17 Continuous Random Network Formadores Modificadores Intermediários SiO2 GeO2 B2O3 Li2O Na2O K2O Al2O3 PbO ZnO P2O5 As2O3 As2O5 V2O5 CaO BaO CdO TiO2 • Podem contribuir com a formação do retículo (rede), em algumas situações • Geralmente cations de valência maior (+ próximos do Si), mas não satisfazem Zach. • Interessante: substitue 3 4 Al Na Si PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 18 Vidros Boratos B2O3 sozinho forma vidro a baixa temperatura (~460°C), mas tem péssima durabilidade química (solúvel em água!) Por outro lado, (B3+ + Na+) leva o cátion boro a assumir coordenação tetraédrica e com isso: a↓ e r↑ “Anomalia do boro” (chamada de “anomalia”, uma vez que verifica-se comportamento exatamente oposto quando se adiciona modificadores a vidros silicatos) Exemplos de elementos de estrutura presentes em vidros boratos PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 19 Vidros Boratos PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 20 Curvas de Viscosidade de Vidros Industriais PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 21 VIDROS INDUSTRIAIS PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 22 Vidros Industriais – Vidros SILICATOS Composições mais comuns (valores apenas típicos) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 23 Vidros Industriais – Sílica Vítrea Um dos únicos vidros de um único componente com possibilidades de aplicação com considerável importância tecnológica: • Lâmpadas de arco de alta intensidade • Lâmpadas de Tungstênio-Halogênio • Recipientes para laboratório e plantas químicas • Fibras ópticas • Vidro de janelas espaciais e lentes de telescópios (baixo coeficiente de expansão térmica) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 24 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos (ou Soda-Cal) SiO2 – Ótimas propriedades: • a baixo (~ 5 x 10-7 °C-1) • Excelente resistência química • Excelente transmissão luminosa – Desvantagem: Tf > 1700 °C (no caso do quartzo ou outra fase cristalina de SiO2) SiO2 + Na2O – Diagrama de Fases: eutético para ~75% SiO2 + 25% Na2O • fusão a cerca de 800°C – Desvantagem: SOLÚVEL • é o silicato de sódio, bom dispersante para suspensões cerâmicas SiO2 + Na2O + CaO – Bom equilíbrio de propriedades para ~75%SiO2 + 15%Na2O + 10%CaO – Funde a temperaturas mais baixas, mas as excelentes propriedades da sílica pura ficam em parte comprometidas PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 25 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos Diagrama de fases para o sistema Na2O-SiO2 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 26 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos Diagrama de fases para o sistema Na2O-CaO-SiO2 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 27 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos Vidros sodo-cálcicos tornaram-se o sistema de vidros mais fabricado no mundo, respondendo por mais de 85% do vidro produzido mundialmente Propriedades: • Expansão térmica linear: a ~ 90 x 10-7 °C-1 • Boa resistência química a ácidos, razoável à água, limitada para bases fortes (lixiviação dos álcalis) • Transmissão luminosa continua boa apenas para pequenos percursos PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 28 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos O sistema já era empregado nos vidros fabricados na antiguidade Viscosidades: – Ponto Temperatura (°C) Viscosidade (P) Fusão 1500 102 Tg 550 1013.6 Ambiente 25 1030 Obs: = 102 P é a viscosidade da glicerina à temperatura ambiente (ou ~ mel de abelhas) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 29 Vidros Industriais – Vidro Sodo-Cálcicos Os óxidos alcalino-terrosos (CaO, MgO, etc.) estabilizam quimicamente o vidro Assim, na prática (industrialmente), os vidros sodocálcicos são compostos por um grande número de componentes: • Além do Na2O, pequenas porcentagens de K2O • Além do CaO, presença de MgO • 1–2% de Al2O3 para inibir devitrificação (cristalização indesejada) • Presença de colorantes: metais de transição • Presença de “afinantes”: nucleantes e arrastadores de bolhas para auxiliar refino (Ex: Na2SO4) • Presença de aditivos para auxiliar equilíbrio “redox” dos colorantes (Ex: Na2NO3) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 30 Vidros Industriais – Vidros Borossilicatos Na sílica, o boro leva a uma diminuição da viscosidade, mas a um aumento do coeficiente de expansão térmica menor do que os álcalis (considerando apenas a presença de SiO2+B2O3, porque, caso haja a presença de óxidos alcalinos ver próximo slide) Assim, borossilicatos comerciais (os quais contêm também um pouco de Na2O) possuem a = 30-40 x 10-7 ºC-1 Compare esse valor de a com o do vidro de sílica (~ 5) e o dos vidros sodo-cálcicos comuns (~ 90) Apresentam considerável aplicações tecnológicas (pyrex®, marinex®, uma série de vidros para eletrônica e selagem, etc.). PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 31 Vidros Industriais – Vidros ao Chumbo O óxido de chumbo é, normalmente, um modificador de rede, mas em algumas composições pode, aparentemente, atuar como um formador de rede. Vidros alcalinos ao chumbo têm uma longa faixa de trabalho (pequena alteração de viscosidade com diminuição de temperatura), e, desta maneira, têm sido usados por séculos para produção de artigos finos de mesa e peças de arte. O chumbo confere ao vidro um maior índice de refração, incrementando seu brilho, sendo por isso conhecido como "cristal”. Devido ao fato do óxido de chumbo ser um bom fundente e não abaixar a resistividade elétrica, como fazem os óxidos alcalinos, vidros ao chumbo são usados largamente na indústria eletroeletrônica. Funil de tubo de televisão a cores é um exemplo de aplicação comercial, devido a essas características elétricas, assim como da propriedade de absorção dos raios X. PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 32 Vidros Industriais – Vidros ao Chumbo Vidro bloqueador de radiação, após polimento, para uso como janelas em instalações nucleares (Nippon Electric Glass Co.) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 33 Vidros Industriais – Descoberta do Vidro Descoberta do Vidro: Acidental !! (Fenícios?) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 34 Vidros Industriais – Fabricação Interior de um forno industrial (tipo “side-port”) Abóboda Fabricação manual Aberturas dos maçaricos PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais Vidro fundido 35 Vidros Industriais – Fabricação Vidro fundido Fabricação atual de vidros plano: processo “float” Estanho líquido Recozimento (alívio de tensões) PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 36 PROCESSOS SECUNDÁRIOS PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 37 Vidros Industriais – Processos Secundários Processamento aplicado a produtos de vidro, visando modificar-lhes as propriedades. Os mais conhecidos são aqueles aplicados a chapas de vidro plano: – Espelhamento – Têmpera* – Laminamento* * Ao lado do vidro “aramado”, os produtos submetidos a esses processos são considerados “Vidros de Segurança”, porque apresentam maior segurança, em caso de ruptura, do que o produtos de vidro recozido. PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 38 Vidros Industriais – Fratura de Vidros Planos Recozido Laminado PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais Temperado 39 Vidros Industriais – Vidros Temperados Têmpera: processo térmico (aquecimento seguido de resfriamento rápido e homogêneo) – É uma folha única de vidro – Resistência a impactos de 3 a 5 vezes maior do que os recozidos – Cacos arredondados e menos cortantes – Tensões de compressão na superfície e de tração no interior • Recozido: s < 30 MPa • Temperado: s > 60 MPa, chegando geralmente a 120 MPa PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais Vidro temperado quebrado 40 Vidros Industriais – Vidros Laminados Laminamento: sanduíche – Duas folhas de vidro com uma folha de PVB entre elas. – O PVB, poli(vinil butiral), é um polímero borrachoso, com 0,76 mm de espessura, que tem o mesmo índice de refração do vidro. – O conjunto “cola” em auto-clave (P e T). – O conjunto apresenta ótima capacidade de absorção de impactos ao fraturar-se. 41 Vidros Industriais – Vidros Laminados Sears Tower (atual Willis Tower), Chicago, EUA • Inaugurado em 1973, e desde então a mais alta estrutura dos Estados Unidos (527 m). • Skydeck Ledge: 103° andar, 412 m de altura, 2009 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 42 Vidros Industriais – Vidros Laminados Willis Tower Skydeck PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 43 Vidros Industriais – Vidros Laminados Willis Tower Skydeck PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 44 PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 45 Vidros Industriais – Vidros Laminados Grand Canyon Skyway PMT5783 – Fundamentos de Ciência e Engenharia de Materiais 46
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