Os Vidros Óxidos

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

VIDROS E VITROCERÂMICAS – EMT027

VIDROS ÓXIDOS

ANDREIA DITZEL FACCI

JOÃO AUGUSTO MARTINS DE ALMEIDA

LARIANE CRISTINA RIBEIRO DE SOUZA

ITAJUBÁ

2015

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

VIDROS E VITROCERÂMICAS – EMT027

VIDROS ÓXIDOS

Trabalho apresentado à disciplina de Vidros e Vitrocerâmicas, ministrada pelo professor Dr. Daniel Thomazini- UNIFEI.

ANDREIA DITZEL FACCI - 21372

JOÃO AUGUSTO MARTINS DE ALMEIDA - 21481

LARIANE CRISTINA RIBEIRO DE SOUZA - 22320

ITAJUBÁ

2015

SUMARIO

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1. VIDROS

1.1 Histórico sobre vidros

Muitas são as datas atribuídas à descoberta destes fantásticos materiais. Tanto em artigos científicos, livros ou mesmo na internet, podemos encontrar uma enorme quantidade de datas e suas respectivas histórias, sobre como e quando os vidros foram descobertos [1].

Segundo relatos, quando os fenícios desembarcaram na costa da Síria, há cerca de 7000 anos, eles improvisaram fogões, utilizando blocos de salitre sobre a areia, e observavam que passado algum tempo de fogo intenso, escorria uma substância líquida, que se solidificava rapidamente.

Sabemos hoje que é bem provável que essa descoberta só tenha sido possível porque alguns outros componentes tenham se juntado a areia, (possivelmente óxido de cálcio (CaO) e sal marinho (NaCl)) fazendo com que fosse diminuído o ponto de fusão do SiO2 presente na areia da praia, pois sabemos que o SiO2 possui elevadíssimo ponto de fusão (Tf  > 1800°C), que não poderia ter sido alcançado com uma simples fogueira. Desde então, a manufatura de objetos vítreos se tornou muito comum e hoje podemos dizer que estes materiais são de extrema importância tanto para o cotidiano da sociedade como no mercado industrial.

Nem sempre os vidros foram fabricados pelos seres humanos. Os chamados vidros naturais podem ser formados quando alguns tipos de rochas vulcânicas são solidificadas rapidamente. Tal situação pode, por exemplo, ocorrer quando ocorrem erupções vulcânicas ou então quando meteoritos se chocam com a terra. Os vidros naturais assim formados são denominados obsidianas e tectitas, os quais permitiram aos humanos na “Idade da Pedra” confeccionar ferramentas de corte para uso doméstico e também para sua defesa [1].

1.2 Definições e conceitos sobre vidros

        Os vidros são muitas vezes considerados como sendo líquidos super-resfriados. Entretanto apenas alguns poucos líquidos podem ser super-resfriados e formarem vidros [2]. Uma das possíveis definições é considerar os vidros como sólidos não cristalinos que apresentam o fenômeno de transição vítrea [3].  A Figura 1 mostra um esquema bidimensional de uma estrutura ordenada representando um cristal e uma estrutura desordenada, semelhante à de um vidro.

[pic 1]

Figura 1 – Analogia bidimensional esquemática, segundo Zachariazen, para ilustrar a diferença entre: (a) estrutura regular em um cristal e (b) rede desorganizada do vidro de mesma composição[4].

        Para a formação de vidros é necessário que um líquido seja resfriado até o estado sólido sem cristalizar-se. Durante o resfriamento do líquido, ocorre a passagem por uma temperatura conhecida como de transição vítrea (ou Tg), na qual um líquido super-resfriado passa por mudanças nas taxas de variações das propriedades físicas e termodinâmicas. A habilidade para a formação de vidro, do ponto de vista cinético, pode ser encarada como uma medida da relutância do sistema em sofrer cristalização durante o resfriamento do fundido. Logo, a formação de vidro pode ser considerada em termos de uma competição entre as velocidades de cristalização e de resfriamento.O gráfico da Figura 2 mostra o volume de um material em função da temperatura, com destaque para a temperatura de transição vítrea (Tg), isto é, a temperatura de transformação líquido-vidro, e a temperatura de cristalização (Tc) [5].

[pic 2]

Figura 2 – Diferentes taxas de resfriamento para formação do vidro cristal.

        Os vidros podem ser tanto inorgânicos como orgânicos e tem como característica a ausência de ordenamento atômico em longas distâncias, possuindo ordenamento atômico somente em pequenas distâncias.  

        Uma técnica experimental extremamente útil para caracterização dos vidros é a Análise Térmica Diferencial (ATD) [6]. Trata-se de uma técnica que permite comparar a temperatura de uma amostra (objeto de estudo) em relação a um material de referência (material inerte) por meio de um aquecimento ou resfriamento linear em um formo elétrico. A diferença de temperatura entre a amostra e a referencia é a função armazenada. Transições de segunda ordem, como a transição vítrea [7], são associadas à mudanças na linha de base da curva. Picos endotérmico podem ser associados a reações de fusão como também reações de decomposição ou dissociação. Por outro lado, picos exotérmicos são associados a mudanças de fase cristalina, ou cristalização.

        A Figura 3 mostra uma típica curva obtida por ATD para o vidro PbO-Ge2-Ga2O3, tomado como exemplo. Nessa figura observa-se claramente a temperatura de transição vítrea Tg, temperatura de cristalização Tc e temperatura de fusão Tf. Obtém-se a temperatura que determina o inicio de cada transição pela intersecção de uma linha que extrapola a linha base com outra linha tangente à curva no ponto de inflexão, (linhas tracejadas) [7].

[pic 3]

Figura 3 – Típica curva de ADT para um vidro PbO-Ge2-Ga2O3 [8].

        Observa-se neste caso particular por meio da curva de ATD acima, que há duas temperaturas de cristalização (TC1 e TC2), e duas temperaturas de fusão (TF1 e TF2), relacionadas com as transições exotérmicas e endotérmicas, respectivamente.  

1.3 Definição e conceitos básicos sobre vitro-cerâmicas

A vitro-cerâmica foi descoberta em 1953, por Stanley Donald Stookey, um jovem pesquisador da “Corning Glass Work”, que acidentalmente colocou uma parte de um vidro silicato de lítio em um forno a 900°C, quando o mesmo deveria ter sido colocado a 600°C e passado algum tempo Stanley observou a formação de um material branco que não havia mudado de forma [9]. Desde então, diversos trabalhos foram publicados na literatura e inúmeras patentes vêm sendo garantidas por empresas e companhias por todo o mundo. As vitro-cerâmicas são sintetizadas a partir da cristalização controlada de determinados vidros, que geralmente podem ser induzidas por agentes nucleantes (AgCl, AuCl3, ZrO2, TiO2, Cr2O3 ou Fe2O3). As vitro-cerâmicas são sempre formadas por uma fase vítrea residual e uma ou mais fases cristalinas embebidas na matriz. A cristalinidade usualmente varia entre 0.5 e 99.5 %, porém a maioria delas varia entre 30 e 70 %, portanto, a transparência deste material está ligada ao número e tamanho dos cristais no interior da matriz, então se considerarmos estruturas cristalinas com dimensões nanométricas, podemos denominar estes materiais como sendo nanovitro-cerâmicas transparentes.