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Vidros-DEMAT-EE-UFRGS

VIDROSVIDROS

Felipe Felipe BeruttiBerutti


SÚMULASÚMULA

1. INTRODUÇÃO1. INTRODUÇÃO

2. CONSTITUIÇÃO DOS VIDROS2. CONSTITUIÇÃO DOS VIDROS

3. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Matérias3. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Matérias--primasprimas

4. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Elaboração do vidro4. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Elaboração do vidro

5. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Conformação5. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Conformação

6. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Tratamentos térmicos6. FABRICAÇÃO DOS VIDROS: Tratamentos térmicos

7. DEFEITOS7. DEFEITOS

8. PROPRIEDADES8. PROPRIEDADES


OBJETIVO DO CURSOOBJETIVO 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 AVALIAÇÃOMÉTODO DE AVALIAÇÃOSerão realizadas duas provas de avaliação, P1 e P2.

Aluno com nota menor do 4 deverá fazer recuperação. Duas notas abaixo de 4, o aluno deverá

prestar exame (desde que P1 + P2 > 6).

É permitida a recuperação de conceito realizando uma das recuperações, cuja nota substitui a

da respectiva prova.

A terceira nota será advinda do trabalho prático em laboratório.

Média: (P1 + P2 + T)/3

Conceitos: A, se média ≥ 9

B, se 7,5 ≥ média > 9

C, se 6 ≥ média > 7,5


Os alunos deverão propor um trabalho para a disciplina até a DATA DA 1ª PROVA – 05/10.

Este trabalho prático deverá envolver o desenvolvimento de um material vítreo, com vistas a

utilização como padrão de análise quantitativa em FRX.

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.

O trabalho pode ser, preferencialmente, desenvolvido em grupos de até 3 alunos.

O trabalho deverá ser apresentado aos colegas e também ser entregue em versão escrita.

TRABALHO PRÁTICOTRABALHO PRÁTICO


BIBLIOGRAFIA SUGERIDABIBLIOGRAFIA SUGERIDA1. 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, Prentice-

Hall, 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.brwww.saint-gobain.com.brwww.glassonline.comwww.corning.comwww.pilkington.com


1. INTRODUÇÃO1. INTRODUÇÃO

Breve Histórico

O Estado Vítreo

Estrutura Típica

Classificação

Tipos de Vidros


1.1. Breve histórico:

fabricação de diferentes utensílios domésticos armas rudimentares de defesa amuleto e elementos decorativos Aprox. 70 % SiO2, 12 a 13% Al2O3 e óxidos diversos - amorfa

Rochas vítreas formadas a partir de magmas

resfriamento

sem cristalizaçãoOBSIDIANA Empregada desde o período neolítico 8000 a.C.

1. INTRODUÇÃO1. INTRODUÇÃO1. Introdução


OBSIDIANA1. INTRODUÇÃO1. INTRODUÇÃO

1. Introdução

Obsidiana negra

Obsidiana ‘floco de neve’ ou ‘nevada’

Obsidiana vermelha (México)

Obsidiana verde(Chile)

Cor: impurezas

Ex.: Fe e Mg cor verde escuro ao preto

Padrão manchado: cristais de cristobalita

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.

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. Introdução: breve histórico

Fenícios

Egípcios

Disputam a primazia

da invenção do vidro

Descobertas feitas em túmulos de 4000 a.C.

Pérolas de vidros de muitas cores

1400 a.C. Os egípcios confeccionavam peças ocas

Produção de pequenos objetos artísticos e decorativos

Aperfeiçoada tecnologia de cores

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. 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


Arte do vidro do Oriente para Veneza

Causa de incêndios

Queda de Roma

O vidro praticamente desapareceu da Europa

Vitrais, lâmpadas e objetos de fino acabamento

Desenvolvimento na Síria e Egito

Cruzadas

Fornos

1291 Conselho Maior Ilha de Murano

Desenvolvimento do “CRISTALLO”

Vidro claro e transparente como um cristal


Com o desenvolvimento do “Cristallo”

Criação das LENTESBinóculos - 1590

Telescópios - 1611

Recipientes especiais e termômetros

Desenvolvimento da química


1880 produção mecânica de garrafas

1900produção vidro plano contínuo através de estiramento da folha na vertical


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

1952

Crystal-cathedral: a famosa igreja de vidro em Garden Grove, California


Para fazer frente à invasão dos campos tradicionais pelo uso do vidro por similares, como o plástico, os fabricantes investem napesquisa de vidros para outras finalidades:

Atualmente

Vidros de alta densidade e que não escurecem pela ação de raios-γ –vigias de observação em células nucleares de submarinos e laboratórios;

Vidros para janelas de observação das cápsulas espaciais – Vycor e vidro de alumino-silicato;

Fabricação do nariz de mísseis – Pyroceram ( mais duros que o aço-carbono, mais leves que o alumínio e até 9 vezes mais resistentes que o vidro plano);

Vidros fluorescentes para amplificadores óticos, usados na região do infravermelho e em lasers;

Fibras óticas


Indústria do Vidro no Brasil

Primeiras 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;

Século IX – tentativas de estabelecer a indústria do vidro. Em 1861, a indústria brasileira apresentou artigos nacionais em uma exposição.

Final 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;

1895, em São Paulo: fundação da Vidraria Santa Marina – produção de garrafas

Um dos setores que mais progrediu foi a fabricação de vidros planos –principais consumidores: indústria automobilística e construção civil.


Estado físico

Sólida

Líquida

Gasosa

Matéria

Átomos e íons

Movimento oscilatório

Temperatura Amplitude

1.2. O Estado Vítreo1. Introdução: O estado vítreo

Sólidos: em geral, são cristalinos – a ligação dos átomos é bem definida, ordenadae 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?

Sólido à temperatura ambiente

Estruturalmente, similar a um líquido, sem ordem definida

VIDROVIDRO não é classificado em nenhum destes estados

ocupa uma posição intermediária entre as substânciaslíquidas e sólidas.



O termo vidro se refere aos sólidos amorfos que ao se fundirem tornam-se 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: se apresentam como sólidos

são duros

não mudam de forma

tem a mesma densidade dos cristais de mesma composição

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

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. Introdução: O estado vítreo

1.2. O Estado VítreoNo 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 da temperatura –contração

Ocorrência de dois possíveis fenômenos:

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.


1.2. O Estado VítreoTransição 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.


1.2. O Estado VítreoTransição 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.


1.2. O Estado Vítreo

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 vítreaIntervalo de Transição

1. Introdução: O estado vítreo


Tg não é fixa como a Tf O ponto se desloca conforme a taxa de resfriamento

Resfriamento mais rápido – Tg se desloca para temperaturas mais altas

Resfriamento 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”

Conclusão


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

tecnológicas especiais e úteis

decorrentes da sua natureza atípica



1.2. O Estado VítreoEM RESUMOVidro – pertence a um estado particular da matéria conhecido como

Estado Vítreo, que tem as seguintes propriedades:

Ausência de estruturas cristalinas (as substâncias do estado vítreo são amorfas);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);Não desvia o plano da luz polarizada quando é por esta atravessado;Não é estável em temperaturas elevadas (pode cristalizar se mantido por longo tempo a uma temperatura acima do seu ponto de amolecimento)É geralmente transparente (embora existam vidros translúcidos e até opacos);São maus condutores de calor e eletricidade.

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. Introdução: Estrutura típica dos vidros

1.3. Estrutura típica dos vidros

Vidro Composto Cristalino

Ordem em pequenas distâncias

Ordem em grandes e pequenas distâncias

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. Introdução: Estrutura típica dos vidros

1.3. Estrutura típica dos vidros

Vidro

Composto Cristalino

Vidros-DEMAT-EE-UFRGS1. 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


1.4. ClassificaçãoQuanto ao processo de fabricação:

Soprados: embalagens, potes, garrafas

Moldados/Prensados: artigos de mesa. Neste grupo encontram-se as louças comuns (soda-cálcico) e artigos de forno (boro-silicatos)

Estirados e Float: vidro liso ou chapas

Processo de Fibras

Processo de lã de vidro

Outras classificações:

Pode-se ainda dividir entre vidros comuns e vidros de engenharia

Quanto ao tratamento térmico posterior, tem-se ainda os vidros temperados

Ainda vidros reforçados por tratamento químico

1. Introdução: Classificação Vidros-DEMAT-EE-UFRGS

Tipos Comerciais de Vidro

Principais Componentes %TipoSiO2 Al2O3 CaO Na2O B2O3 MgO PbO Outros

Observações

Sílica Fundida 99 Dilatação térmica muito baixa, viscosidade muitoalta

“Pirex” 81 2 4 12 Dilatação térmica baixa, baixa troca iônica

Vasilhames 74 1 5 15 4 Fácil trabalhabilidade, grande durabilidade

Pratos 73 1 13 13 Alta durabilidade

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 12 32 Alta resistividade

Fibra 54 14 16 10 4 Baixo teor de álcalis

Termômetro 73 6 10 10 Estabilidade dimensional

Vidraria de mesa (vidro ao Pb) 67 6 17 K2O 10 Alto índice de refração

Vidro óptico tipo ‘flint’ 50 1 19 BaO 13

K2O 8

ZnO 8

Alta dispersão de vidro, usado como elementodivergente de lentes

Vidro óptico tipo ‘crown’ 70 8 10 BaO 2

K2O 8

Baixa dispersão de vidro, usado como elementoconvergente de lentes

Dados obtidos de Van Vlack, Lawrence Hall, Propriedades dos Materiais Cerâmicos, Edgard Blücher, Ed. Da Universidade de São Paulo, 1973.

5. Tipos de vidro - Comerciais:


VIDROSVIDROS

Felipe Felipe BeruttiBerutti


Composição Básica do Vidro:

Esta

biliz

ante

s Carbonato de cálcio (pode conter impurezas)

magnesita, óxido de bário, etc

Vitr

if ica

nte s

Areia (SiO2), alumínio, boro, fósforo, etc

Arsênio, antimônio, nitrato de potássio, sulfato de sódio, flúor, óxido de ferro, alumina, etc

Carbonato de sódio (impurezas a serem eliminadas)

Carbonato de potássioIn

term

ediá

rios

Fund

ente

s


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 quimicamenteestável – 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 ébaseado 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 continuamentecom 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:

Ponto de fusão: corresponde a temperatura na qual a viscosidade é 102 P; o vidro é fluido o suficiente para ser considerado um líquido;

Ponto de trabalho: representa a temperatura na qual a viscosidade é 104 P; o vidro é facilmente deformado nesta viscosidade;

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;

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;

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

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