Introdução

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Introdução

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS
VIDROS
Felipe Berutti
SÚMULA
1. INTRODUÇÃO
2. CONSTITUIÇÃO DOS VIDROS
3. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Matérias-primas
4. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Elaboração do vidro
5. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Conformação
6. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Tratamentos térmicos
7. DEFEITOS
8. PROPRIEDADES
OBJETIVO DO CURSO
Apresentar a Engenharia de Materiais Vítreos aos
alunos de graduação do curso de Engenharia de
Materiais,
interligando
assim,
Estrutura
e
Propriedades (Ciência dos Materiais), com Processos
de Fabricação e Desempenho em Serviço.
MÉTODO DE AVALIAÇÃO
¾ Serão realizadas duas provas de avaliação, P1 e P2.
¾Aluno com nota menor do 4 deverá fazer recuperação. Duas notas abaixo de 4, o aluno deverá
prestar exame (desde que P1 + P2 > 6).
¾ É permitida a recuperação de conceito realizando uma das recuperações, cuja nota substitui a
da respectiva prova.
¾ A terceira nota será advinda do trabalho prático em laboratório.
¾ Média: (P1 + P2 + T)/3
¾ Conceitos:
A, se média ≥ 9
B, se 7,5 ≥ média > 9
C, se 6 ≥ média > 7,5
TRABALHO PRÁTICO
¾ Os alunos deverão propor um trabalho para a disciplina até a DATA DA 1ª PROVA – 05/10.
¾ Este trabalho prático deverá envolver o desenvolvimento de um material vítreo, com vistas a
utilização como padrão de análise quantitativa em FRX.
¾ Os alunos terão a disposição a infra-estrutura do Laboratório de Materiais Cerâmicos. Eventuais
necessidades poderão ser demandadas de outros laboratórios, porém, deverão ser programadas para
que possam ser inseridas nos mesmos. Eventualmente, poderão ser utilizados outros dias, a critério
do aluno. A marcação de fornos deverá obedecer o sistema do LACER.
¾ O trabalho pode ser, preferencialmente, desenvolvido em grupos de até 3 alunos.
¾ O trabalho deverá ser apresentado aos colegas e também ser entregue em versão escrita.
BIBLIOGRAFIA SUGERIDA
1. Callister Jr., W.D., Materials Science and Engineering an introduction, 3ª Edição, New York, John
Wiley & Sons, 1994.
2. Askeland, Donald R.: The Science and Engineering of Materials, 2ª Edição, London, Chapman and
Hall, 1991.
3. Shackeldford, James F. Introduction to Materials Science for Engineers. New Jersey, PrenticeHall, Inc., 4a. Ed. 1996.
4. NAVARRO, JOSE MARIA; “El Vidrio”, Ed. CSIC, Madri – Espanha, 1991.
5. BRINKER, C.J.; SCHERER, G.W.; “Sol-gel Science”, Academic Press, Londres - Inglaterra, 1990.
6. MATTHES, W.E.; “Vidriados Cerámicos”, Ed. Omega, Barcelona – Espanha, 1990.
7. van Vlack, L. H., “Propriedades dos Materiais Cerâmicos”, Ed. Edgard Blücher LTDA, São Paulo,
1973, Capítulo 4.
8. Sites na Internet:
www.abividro.org.br
www.saint-gobain.com.br
www.glassonline.com
www.corning.com
www.pilkington.com
1. INTRODUÇÃO
¾ Breve Histórico
¾ O Estado Vítreo
¾ Estrutura Típica
¾ Classificação
¾ Tipos de Vidros
1. Introdução
1. INTRODUÇÃO
1.1. Breve histórico:
Rochas vítreas
formadas a partir de magmas
resfriamento
sem cristalização
OBSIDIANA
Empregada desde o período neolítico 8000 a.C.
fabricação de diferentes utensílios domésticos armas
rudimentares de defesa
amuleto e elementos decorativos
Aprox. 70 % SiO2, 12 a 13% Al2O3 e óxidos diversos - amorfa
1. Introdução
OBSIDIANA
1. INTRODUÇÃO
Obsidiana
‘floco de neve’
ou ‘nevada’
Obsidiana verde
Obsidiana negra
(Chile)
Cor: impurezas
Ex.: Fe e Mg cor verde
escuro ao preto
Obsidiana vermelha
(México)
Padrão manchado:
cristais de cristobalita
1. Introdução: breve histórico
Lenda:mercadores fenícios que desembarcaram
nas costas da Síria e, necessitando de fogo, improvisaram
fogões, usando blocos de natrão para apoiar as panelas.
Passado algum tempo, notaram que do fogo
escorria uma substância líquida e brilhante, que se
solidificava imediatamente: o vidro. Os Fenícios teriam,
então, se dedicado à reprodução daquele fenômeno,
chegando à obtenção de materiais utilizáveis.
Fenícios
Disputam
a primazia
da
invenção
do vidro
Descobertas feitas em túmulos de 4000 a.C.
Egípcios
Pérolas de vidros de muitas cores
1400 a.C.
Aperfeiçoada
tecnologia de cores
Os egípcios confeccionavam
peças ocas
Produção de pequenos objetos
artísticos e decorativos
1. Introdução: Breve histórico
300 a.C.
uma grande descoberta revolucionou o vidro
SOPRO
facilitou a obtenção
de frascos e
recipientes em
geral
OBS: o mesmo princípio ainda é utilizado para conformação
de embalagens, mesmo nas máquinas mais modernas
Queda
de Roma
O vidro praticamente desapareceu da Europa
Desenvolvimento
na Síria e Egito
Cruzadas
Arte do vidro do Oriente para Veneza
Causa de incêndios
1291
Vitrais, lâmpadas e
objetos de fino
acabamento
Conselho Maior
Fornos
Ilha de Murano
Desenvolvimento do “CRISTALLO”
Vidro claro e transparente como um cristal
Com o desenvolvimento do
“Cristallo”
Criação das LENTES
Binóculos - 1590
Telescópios - 1611
Recipientes especiais
e termômetros
Desenvolvimento
da química
1880
produção mecânica
de garrafas
1900
produção vidro plano
contínuo através de
estiramento da folha
na vertical
1952
Invenção do processo float, utilizado até hoje, em que o
vidro fundido é escorrido sobre um banho de estanho líquido
e sobre ele se enrijece.
destinado à construção civil e às indústrias
automobilística, de eletrodomésticos, móveis e outras
Crystal-cathedral: a famosa igreja de vidro em Garden Grove, California
Atualmente
Para fazer frente à invasão dos campos tradicionais pelo uso do
vidro por similares, como o plástico, os fabricantes investem na
pesquisa de vidros para outras finalidades:
9Vidros de alta densidade e que não escurecem pela ação de raios-γ –
vigias de observação em células nucleares de submarinos e laboratórios;
9Vidros para janelas de observação das cápsulas espaciais – Vycor e vidro
de alumino-silicato;
9Fabricação do nariz de mísseis – Pyroceram ( mais duros que o açocarbono, mais leves que o alumínio e até 9 vezes mais resistentes que o
vidro plano);
9Vidros fluorescentes para amplificadores óticos, usados na região do
infravermelho e em lasers;
9Fibras óticas
Indústria do Vidro no Brasil
9Primeiras peças produzidas: vidreiros holandeses, na região de
Pernambuco, no período de 1624 a 1635. Com a expulsão dos holandeses,
a nascente indústria do vidro desapareceu;
9Século IX – tentativas de estabelecer a indústria do vidro. Em 1861, a
indústria brasileira apresentou artigos nacionais em uma exposição.
9Final do século IX: introdução efetiva da fabricação do vidro em moldes
industriais através de Francisco Antonio Esberard (fabricação desde
garrafas até serviços de mesa em cristal com qualidades comparáveis a
dos europeus;
91895, em São Paulo: fundação da Vidraria Santa Marina – produção de
garrafas
9Um dos setores que mais progrediu foi a fabricação de vidros planos –
principais consumidores: indústria automobilística e construção civil.
1. Introdução: O estado vítreo
1.2. O Estado Vítreo
Átomos e íons
Sólida
Matéria
Estado físico
Líquida
Gasosa
Movimento oscilatório
Temperatura
Amplitude
Sólidos: em geral, são cristalinos – a ligação dos átomos é bem definida, ordenada
e repetitiva. Apresentam propriedades vetoriais (clivagem) e a condutividade
térmica não é a mesma em todas as direções (exceto os cúbicos)
Portanto, o que é o vidro??
Sólido?
Líquido?
VIDRO
Sólido à temperatura ambiente
Estruturalmente, similar a um líquido,
sem ordem definida
não é classificado em nenhum destes estados
ocupa uma posição intermediária entre as substâncias
líquidas e sólidas.
O termo vidro se refere aos sólidos amorfos que ao se fundirem tornamse líquidos viscosos e ao resfriarem se solidificam sem cristalizar
Segundo George W. Morey o vidro é:
“uma substância inorgânica numa condição contínua e análoga ao
estado líquido daquela substância, a qual porém como resultado de
uma mudança reversível na viscosidade durante o resfriamento,
atingiu um alto grau de viscosidade de modo a ser rígido para todos
os fins práticos”
Diz o que acontece quando o vidro é fabricado, mas não
responde a pergunta: ‘O que é um vidro?’
Vidros: 9 se apresentam como sólidos
9 são duros
9 não mudam de forma
9 tem a mesma densidade dos cristais de mesma
composição
9 algumas propriedades comuns aos cristais
Primeira particularidade: os vidros não apresentam um
verdadeiro ponto de fusão ou temperatura liquidus como os
sólidos cristalinos
Transição vítrea
No resfriamento a partir da fase líquida sem
ocorrência da cristalização
Transição vítrea
enquanto diminui a TEMPERATURA aumenta a VISCOSIDADE
O aumento contínuo da viscosidade resulta num
congelamento ou solidicação progressiva do líquido
PRODUTO FINAL – sólido rígido não-cristalino
Para se estudar este processo com maior precisão é conveniente estudar a evolução do
volume específico em função da temperatura T:
Início:
líquido em elevada
temperatura
Diminuição
contração
Ocorrência
fenômenos:
da temperatura –
de dois possíveis
OU o líquido se cristaliza e surge uma
descontinuidade Vf (geralmente uma
contração)
OU o líquido passa por um estado
superresfriado se for evitada a
cristalização.
Transição vítrea
Volume específico X Temperatura
1º caso: em Tf redução brusca do
volume: cristalização.
à medida que o calor é retirado
do material, o sólido resultante
contrai de novo, a inclinação da
curva agora sendo menor do que
no estado líquido – cerca de 1/3.
2º caso: a diminuição da
temperatura continua
provocando a contração do
líquido superresfriado, com uma
inclinação (coeficiente angular)
da curva igual ao da fase líquida
original.
Transição vítrea
Volume específico X Temperatura
A partir de uma certa temperatura Tg, o
líquido superresfriado solidifica-se
rapidamente, e o coeficiente angular
da curva decresce para se aproximar
ou se igualar ao do sólido cristalizado.
A quebra na curva de resfriamento
marca a passagem de um líquido
superresfriado ao vidro. Tg é chamada
temperatura de transição vítrea.
A viscosidade do líquido aumenta
continuamente, à medida que a
temperatura diminui e a passagem por
Tg corresponde a uma viscosidade de
aproximadamente 1013P.
Transição vítrea
Coeficiente de expansão térmica X Temperatura
Em contraste com o
volume específico, o
coeficiente de
expansão térmica
mostra uma rápida
mudança na
passagem por Tg
Transição vítrea
Intervalo de Transição
Tg não é fixa como a Tf
O ponto se desloca conforme a taxa de resfriamento
¾Resfriamento mais rápido – Tg se desloca para temperaturas mais altas
¾Resfriamento mais lento – Tg se desloca para temperaturas mais baixas
Intervalo de transição vítrea
Limites superior e inferior definidos
por taxas mais rápidas e mais lentas
Influência da taxa de resfriamento sobre a
posição da Tg (U1 < U2 < U3)
Existem algumas definições para um vidro.
1) pelo método de preparação: envolve resfriamento do estado líquido,
sem ocorrência de cristalização, até o material tornar-se um sólido
rígido através do aumento da sua viscosidade.
2) Através da estrutura de um vidro: o vidro é um sólido amorfo, sem
ordem ou periodicidade a longo alcance no arranjo dos átomos.
3) Como a composição dos vidros é inorgânica, a ASTM define
vidro como “um produto inorgânico de fusão que foi resfriado
até atingir condição de rigidez, sem sofrer cristalização”
Um pouco mais abrangente, é uma definição na literatura:
4) O vidro pode ser definido como um líquido superresfriado altamente
viscoso de estrutura rígida. A elevada viscosidade (maior que 1013 P)
impede a cristalização no resfriamento após a fusão, dando origem
aos vidros que vão possuir uma estrutura reticular polimerizada com
baixo número de coordenação, apresentando ordem apenas em
pequenas distâncias. Do ponto de vista químico, é o resultado da
união de óxidos inorgânicos não-voláteis resultantes da
decomposição e da fusão de compostos alcalinos e alcalinos terrosos,
de areia e de outras substâncias.
os vidros possuem propriedades
Conclusão
tecnológicas especiais e úteis
decorrentes da sua natureza atípica
EM RESUMO
Vidro – pertence a um estado particular da matéria conhecido como
Estado Vítreo, que tem as seguintes propriedades:
9 Ausência de estruturas cristalinas (as substâncias do estado vítreo
são amorfas);
9 Não tem ponto de fusão definido (o vidro quando aquecido vai
amolecendo gradualmente até ter sua viscosidade tão reduzida que se
comporta como um líquido);
9 Não desvia o plano da luz polarizada quando é por esta atravessado;
9 Não é estável em temperaturas elevadas (pode cristalizar se mantido
por longo tempo a uma temperatura acima do seu ponto de
amolecimento)
9 É geralmente transparente (embora existam vidros translúcidos e até
opacos);
9 São maus condutores de calor e eletricidade.
1. Introdução: Estrutura típica dos vidros
1.3. Estrutura típica dos vidros
Vidro
Ordem em pequenas
distâncias
Composto Cristalino
Ordem em grandes e
pequenas distâncias
1. Introdução: Estrutura típica dos vidros
1.3. Estrutura típica dos vidros
Vidro
Composto
Cristalino
1. Introdução: Classificação
1.4. Classificação
Por suas características, os vidros são um grupo à parte dos cerâmicos
Quanto à composição química:
• Vidro de Sílica
• 96% de Sílica
• Sodo-cálcico
• Vidro de alto teor de chumbo
• Silicato de Chumbo
• Vidros de boro
• Alumino-Silicato
• Baixo teor de álcalis
Quanto ao processo de fabricação:
9 Soprados: embalagens, potes, garrafas
9 Moldados/Prensados: artigos de mesa.
Neste grupo
encontram-se as louças comuns (soda-cálcico) e artigos de forno
(boro-silicatos)
9 Estirados e Float: vidro liso ou chapas
9 Processo de Fibras
9 Processo de lã de vidro
Outras classificações:
9Pode-se ainda dividir entre vidros comuns e vidros de engenharia
9Quanto ao tratamento térmico posterior, tem-se ainda os vidros temperados
9Ainda vidros reforçados por tratamento químico
Tipos
Comerciais
Vidro - Comerciais:
5.
Tipos
dedevidro
Tipo
Principais Componentes %
SiO2
Al2 O3
CaO
Na2 O
B 2 O3
MgO
PbO
Observações
Outros
Sílica Fundida
99
Dilatação térmica muito baixa, viscosidade muito
alta
“Pirex”
81
2
Vasilhames
74
1
5
15
Pratos
73
1
13
13
Vidro de janela
72
1
10
14
2
Alta durabilidade
Bulbos de lâmpadas
74
1
5
16
4
Fácil trabalhabilidade
Hastes de lâmpadas
55
1
Fibra
54
14
Termômetro
73
6
Vidraria de mesa (vidro ao Pb)
67
6
17
K2O 10 Alto índice de refração
Vidro óptico tipo ‘flint’
50
1
19
BaO 13
4
12
Dilatação térmica baixa, baixa troca iônica
4
Alta durabilidade
12
16
32
10
10
Fácil trabalhabilidade, grande durabilidade
Alta resistividade
4
Baixo teor de álcalis
10
Estabilidade dimensional
K2O 8
Alta dispersão de vidro, usado como elemento
divergente de lentes
ZnO 8
Vidro óptico tipo ‘crown’
70
8
10
BaO 2
K2O 8
Baixa dispersão de vidro, usado como elemento
convergente de lentes
Dados obtidos de Van Vlack, Lawrence Hall, Propriedades dos Materiais Cerâmicos, Edgard Blücher, Ed. Da Universidade de São Paulo, 1973.
VIDROS
Felipe Berutti
Carbonato de sódio
(impurezas a serem eliminadas)
Carbonato de potássio
Estabilizantes
Areia (SiO2),
alumínio, boro,
fósforo, etc
Intermediários
Fundentes
Vitrificantes
Composição Básica do Vidro:
Carbonato de cálcio
(pode conter impurezas)
magnesita, óxido de
bário, etc
Arsênio, antimônio,
nitrato de potássio,
sulfato de sódio,
flúor, óxido de ferro,
alumina, etc
A. Vitrificante – óxido formador de retículo SiO2 – Sílica – 60
a 80% - temperatura de fusão: 1720oC (existe ainda:B2O3,
GeO2, Al2O3,P2O5 e As2O5)
B. Fundente – serve para que se obtenha o vidro a uma
temperatura tecnológica e economicamente viável – Na2O e
K2O – a 20% - 1450 a 1500oC
C. Estabilizante – torna o vidro quimicamente
estável – CaO, MgO, Al2O3, BaO, PbO – 5 a 10%
D. Refinante – homogeniza a fase fluida e elimina a gasosa –
NO3, SO4 – máximo 1%
E. Corantes: composição 0,0...%
Entenda a mudança nas propriedades dos vidros
Depolimerizazação pela adição de
cátions. As linhas cheias mostram as
posições originais, enquanto as
linhas tracejadas, as posições após a
adição de Na2O.
estrutura do vidro de silicato
de sódio (esquemática). São
mostrados
apenas
três
oxigênios circundando cada
silício
RELAÇÃO VISCOSIDADE x PROPRIEDADES
A viscosidade é o principal parâmetro que caracteriza e determina
a formação de um vidro. Todo o processo industrial de produção é
baseado na viscosidade que determina as propriedades finais e a
aplicação do vidro.
Sob resfriamento, um vidro torna-se mais e mais viscoso de uma
forma contínua com a diminuição da temperatura; não existe uma
temperatura definida na qual o líquido se transforma em um sólido
como com os materiais cristalinos.
De fato, uma das distinções entre materiais cristalinos e não cristalinos está
na dependência do volume específico (ou volume por unidade de peso – o
inverso da densidade) com a temperatura, como ilustrado na Figura abaixo
(já apresentada anteriormente).
Note: Tm p/ cristalinos e Tg para vidros
Em materiais cristalinos, existe uma diminuição descontínua no
volume na temperatura de fusão Tm (melting temperature).
Entretanto, em materiais vítreos, o volume diminui continuamente
com a redução da temperatura; ocorre uma ligeira diminuição na
inclinação da curva, no ponto denominado temperatura de
transição vítrea, Tg (glass transition temperature). Abaixo desta
temperatura, o material é considerado um vidro; acima, é
primeiramente um líquido subresfriado e finalmente um líquido.
Também são importantes nas operações de conformação, as características
de viscosidade – temperatura do vidro. A Figura 2: plota o logaritmo da
viscosidade versus temperatura para os vidros de sílica fundida, alta sílica,
borossilicato e soda-cal.
Figura 2: Logaritmo da viscosidade versus temperatura para os
vidros de sílica fundida, e outros vidros de sílica
Na escala da viscosidade, muitos pontos são importantes na fabricação no
e processamento dos vidros:
¾ Ponto de fusão: corresponde a temperatura na qual a viscosidade é
102 P; o vidro é fluido o suficiente para ser considerado um líquido;
¾ Ponto de trabalho: representa a temperatura na qual a viscosidade é
104 P; o vidro é facilmente deformado nesta viscosidade;
¾ Ponto de amolecimento: é a temperatura na qual a viscosidade é
4X107 P, é a máxima temperatura na qual uma peça de vidro pode ser
manuseada sem causar alterações dimensionais significativas;
¾ Ponto de recuperação (recozimento): é a temperatura na qual a
viscosidade é 1013 P; nesta temperatura, a difusão atômica é
suficientemente rápida que qualquer tensão residual pode ser removida
dentro de 15 min;
¾ Ponto de deformação: corresponde a temperatura na qual a
viscosidade torna-se 3.1014 P; em temperaturas abaixo deste ponto, a
fratura ocorrerá antes do começo da deformação plástica. A
temperatura de transição vítrea está acima deste ponto.
1 Pa.s = 10 P (poise)
As operações de conformação são realizadas dentro da faixa
de trabalho – entre as temperaturas de trabalho e
amolecimento. As temperaturas nas quais ocorre cada um
destes pontos depende da composição do vidro. Por exemplo,
os pontos de amolecimento para os vidros de cal-soda e alta
sílica são cerca de 700°C e 1550°C, respectivamente. Isto quer
dizer que as operações de conformação em um vidro soda-cal
podem ser realizadas em temperaturas mais baixas do que em
vidros de alta sílica.
Daí a grande diferença de custo entre estes 2 tipos de vidros

Introdução

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