Download - Aula 3 - Vidros e Vitrocerâmico
5 Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento
Prof. Msc. Maria Nalu
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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.
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Vidros
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Propriedades Térmicas
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Propriedades Eletricas
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Material cristalino
Temperatura
V (Líquido)
Líquido
V(Cristal)
CristalVol
ume
espe
cífic
o
Tm
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Material vítreo
Temperatura
Líquido super-resfriado
Líquido
CristalVol
ume
espe
cífic
o
Tm Tg
Vidro
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Taxa de resfriamento
Temperatura
Resfriamento rápido
Vol
ume
espe
cífic
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Tg2 Tg1
Resfriamento lento
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Material semi-cristalino
Temperatura
Mudança de inclinação
Líquido
Vol
ume
espe
cífic
o
Tm Tg
Mudança de volume
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VIDRO10
Material vítreo x cristalino
Vidro de sílica
Cristobalita
In
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Material vítreo x cristalino
Vidro de sílicaCristal de sílica
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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
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Ligações químicas e vidro
Vidros iônicos (inorgânicos)– Óxidos– Sais
Vidros covalentes (orgânicos)– Polímeros – Moléculas simples– Semicondutores amorfos
Vidros metálicos– Elementos– Ligas
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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
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Vidros metálicos
Forno
Sistema de fundição sob pressão
Controle de espessura
Resfriamento (T ambiente)
Fita de cobre de alta velocidade
Metal fundido
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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
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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
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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)
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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
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Si4+ O2- Na+Al3+
Soda-cal Alumina-sílica
Estrutura de vidros óxidos
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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)
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VIDRO22
Deformação viscosa de vidros
Temperatura (°C)
Vis
cosi
da
de
(P
a·s
)
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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
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Forno de potes
1. Potes
2. Queimadores
3. Purga
4. Boca
5. Compartimentos
6. Regeneradores
7. Fumos
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Forno tanque
1. Fusão/afinagem2. Carga 3. Queimadores 4. Pórticos 5. Garganta 6. Anteparos 7. Trabalho/
acondicionamento8. Distribuição 9. Alimentador 10. Gota
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Forno tanque: etapas de fusão
Fusão
Afinagem
Homogeneização
Acondicionamento
T (
°C)
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Conformação de vidros
Prensagem– pratos
Sopro– garrafas
Laminação ou estiramento– vidro plano
Colagem– De fita
Fiação– fios, fibras
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VIDRO28
Prensagem
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Sopro
[Ca
llist
er,
19
96: 4
16
]
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Vidros planos
[Sch
affe
r, 1
999
: 68
8]
Laminação
Flutuação
Vidro fundido
Vidro fundido
Estanho líquido
Quente Frio
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Processos de laminação
[Fer
na
nde
s,1
999
: 70
]
Distribuidor
Fourcault Colburn
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Colagem de fita
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Colagem de fita – Doctor Blade
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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
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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
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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
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Devitrificação e vitrocerâmica
[Bar
soum
, 19
97: 3
23
]
Tem
pera
tura
Tempo
Crescimento
Nucleação
Fusão e conformação
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