5 Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento

Prof. Msc. Maria Nalu

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

2

Vidro: definições

Produto inorgânico de fusão que foi resfriado até atingir condição de rigidez, sem sofrer cristalização.

Material que não apresenta ordem de longo alcance e está abaixo da temperatura na qual rearranjos atômicos ou moleculares podem ocorrer numa escala de tempo similar àquela do experimento.

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

3

Vidros

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

4

Propriedades Térmicas

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

5

Propriedades Eletricas

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

6

Material cristalino

Temperatura

V (Líquido)

Líquido

V(Cristal)

CristalVol

ume

espe

cífic

o

Tm

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

7

Material vítreo

Temperatura

Líquido super-resfriado

Líquido

CristalVol

ume

espe

cífic

o

Tm Tg

Vidro

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

8

Taxa de resfriamento

Temperatura

Resfriamento rápido

Vol

ume

espe

cífic

o

Tg2 Tg1

Resfriamento lento

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

9

Material semi-cristalino

Temperatura

Mudança de inclinação

Líquido

Vol

ume

espe

cífic

o

Tm Tg

Mudança de volume

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

VIDRO10

Material vítreo x cristalino

Vidro de sílica

Cristobalita

In

tens

idad

e

sen

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

11

Material vítreo x cristalino

Vidro de sílicaCristal de sílica

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

12

Sistemas formadores de vidro

Elementos: S, Se, Te, P Óxidos: SiO2, B2O3, P2O5, GeO2, As2O5, Sb2O3,

In2O3, SnO2, PbO3, SeO2

Haletos, sulfetos, selenetos, teluretos, nitretos, nitratos, sulfatos, carbonatos

Polímeros: PE, PS, PMMA, PC, PET, Nylon Moléculas simples: éter etílico, glicerina, álcool

metílico, sacarose Ligas metálicas: Au4Si, Pd4Si, Fe-Si-B

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

13

Ligações químicas e vidro

Vidros iônicos (inorgânicos)– Óxidos– Sais

Vidros covalentes (orgânicos)– Polímeros – Moléculas simples– Semicondutores amorfos

Vidros metálicos– Elementos– Ligas

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

14

Vidros metálicos

Composição típica– Metais ferromagnéticos (Fe, Co, Ni)– Não-metais (B, Si)

Aplicações como magnetos moles – Transformadores de potência – Sensores magnéticos– Cabeçotes de gravação

Processamento– Resfriamento rápido (~106 K/s)– Fita contínua de ~25 m de espessura e 15 cm de largura

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

15

Vidros metálicos

Forno

Sistema de fundição sob pressão

Controle de espessura

Resfriamento (T ambiente)

Fita de cobre de alta velocidade

Metal fundido

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

16

Principais vidros óxidos

Sílica– Fundida: difícil de fundir e fabricar, uso até 1000°C– 96% sílica: a partir de vidro de borossilicato

Soda-cal– Fabricado facilmente– Uso em janelas, garrafas e lâmpadas

Plúmbicos ou de chumbo– Fundido facilmente, boas propriedades elétricas– Uso em lentes e vidros ”cristal”

Borossilicato– Baixa expansão, boa resistência ao choque térmico – Uso na indústria química

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

17

Composições de vidros óxidos

Vidro SiO2 Na2O K2O CaO MgO Al2O3 PbO B2O3

Sílica fundida

> 99,5

Sílica 96,3 <0,2 <0,2 <0,4 <2,9

Soda-cal 70-75 12-18 0-1 5-14 0-4 0,5-2,5

Chumbo 53-60 5-10 1-10 0-6 0-2 15-40

Borossilicato

73-82 3-10 0,4-1 0-1 2-3 0-10 5-20

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

18

Matérias-primas de vidros

Vitrificantes – SiO2: areias de quartzo– B2O3: H3BO3, boratos de sódio

Fundentes – Na2O: Na2CO3, Na2SO4

– K2O: carbonatos de potássio– Li2O: Li2CO3

– CaO: CaCO3 (calcita), feldspato cálcico (anortita)– MgO: CaCO3·MgCO3 (dolomita)– BaO: BaCO3

Estabilizantes – Al2O3: feldspatos– PbO: Pb3O4 (zarcão), PbO (litargírio), carbonato básico– ZnO: ZnCO3 (smithsonita), ZnO (zinquita)

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

19

Estrutura de vidros óxidos

Vitrificantes – formadores de rede – SiO2 , B2O3

Fundentes – modificadores de rede – Na2O, K2O, Li2O, CaO, MgO, BaO

Estabilizantes – Intermediários – Al2O3, PbO, ZnO

Outros componentes– Corantes, descorantes, opacificantes – Água, vidro reciclado

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

20

Si4+ O2- Na+Al3+

Soda-cal Alumina-sílica

Estrutura de vidros óxidos

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

21

Deformação viscosa de vidros

Ponto de fusão (melting point)– Viscosidade: 10 Pa·s (considerado líquido)

Ponto de trabalho (working point)– Viscosidade: 103 Pa·s (facilmente deformado)

Ponto de amolecimento (softening point)– Viscosidade: 4106 Pa·s (máxima T na qual uma peça de vidro pode

ser manipulada sem variações dimensionais) Ponto de recozimento (annealing point)

– Viscosidade: 1012 Pa·s (difusão atômica suficientemente rápida; remoção de tensões residuais)

Ponto de tensão (strain point)– Viscosidade: 31013 Pa·s (para T menores, ocorre fratura sem

deformação plástica; Tg > ponto de tensão)

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

VIDRO22

Deformação viscosa de vidros

Temperatura (°C)

Vis

cosi

da

de

(P

a·s

)

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

23

Obtenção de vidros

Fornos de potes– Intermitentes: alimentação/recolha em ~8 h – Seção reta circular ou oval– Capacidade: 250-1000 litros– Número: até 24

Fornos tanque– Contínuos: etapas ao longo do forno– Seção retangular– Alimentação e extração pelas extremidades– Dimensões: H = 0,90-1,5 m, L = 2-10 m, X = 3-15 m

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

24

Forno de potes

1. Potes

2. Queimadores

3. Purga

4. Boca

5. Compartimentos

6. Regeneradores

7. Fumos

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

25

Forno tanque

1. Fusão/afinagem2. Carga 3. Queimadores 4. Pórticos 5. Garganta 6. Anteparos 7. Trabalho/

acondicionamento8. Distribuição 9. Alimentador 10. Gota

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

26

Forno tanque: etapas de fusão

Fusão

Afinagem

Homogeneização

Acondicionamento

T (

°C)

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

27

Conformação de vidros

Prensagem– pratos

Sopro– garrafas

Laminação ou estiramento– vidro plano

Colagem– De fita

Fiação– fios, fibras

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

VIDRO28

Prensagem

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

29

Sopro

[Ca

llist

er,

19

96: 4

16

]

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

30

Vidros planos

[Sch

affe

r, 1

999

: 68

8]

Laminação

Flutuação

Vidro fundido

Vidro fundido

Estanho líquido

Quente Frio

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

31

Processos de laminação

[Fer

na

nde

s,1

999

: 70

]

Distribuidor

Fourcault Colburn

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

32

Colagem de fita

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

33

Colagem de fita – Doctor Blade

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

34

Fios e tubos

[No

rto

n, 1

952

: 16

7; S

cha

ffer,

19

99

: 689

]

Platina

Fibra de vidro

Vidro fundido

Vidro fundido

Mandril

Fluxo de ar

Tubo

Fiação Fabricação de tubos

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

35

Tratamento térmico de vidros

[Ca

llist

er,

19

96: 4

17

]

Recozimento (annealing)– Aquecimento a temperatura de recozimento, seguida

de resfriamento– Alívio de tensões térmicas

Têmpera (tempering)– Aquecimento a T>Tg e < ponto de amolecimento– Resfriado a T ambiente com jato de ar ou banho de

óleo– Tensões residuais compressivas na superfície e de

tração no interior

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

36

Vidro temperado

[Sch

affe

r, 1

999

: 56

8]

Livre de tensão

Livre de tensão

Livre de tensão

Mais frio

Mais quente

Mais frio

Tensão

Compressão

Tensão

T menor

T maior

T menor

Compressão

Tensão

Compressão

T0>Tg

T1<Tg

T1<Tg T2<T1

T2<T1

Têmpera a T2<T1

Têmpera a T1<Tg

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

37

Devitrificação e vitrocerâmica

[Bar

soum

, 19

97: 3

23

]

Tem

pera

tura

Tempo

Crescimento

Nucleação

Fusão e conformação

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

38

Ma

teri

ais

Ce

râm

ico

s e

Po

limé

ric

os

EM - UTFPR

39