MATERIAIS VITROCERÂMICOS

Os materiais vitrocerâmicos são materiais policristalinos que podem ser obtidos a partir da cristalização controlada de materiais vítreos. O processo de obtenção do vitrocerâmico é realizado em duas etapas: a primeira é chamada de nucleação, na qual o material vítreo é tratado em uma temperatura próxima de Tg, onde ocorre o surgimento dos núcleos cristalinos, a partir dos quais serão formados os cristais. A segunda etapa é chamada de crescimento, onde ocorre o crescimento dos núcleos estáveis previamente formados na etapa de nucleação dando origem à fase cristalina do vitrocerâmico. [17].

Materiais vitrocerâmicos combinam as propriedades de cerâmicas convencionais com as propriedades distintas dos vidros. A habilidade de produzir materiais com geometrias complexas, juntamente com a ausência de porosidade e controle de microestrutura fazem dos vitrocerâmicos materiais únicos para diversas aplicações, desde domésticas até as mais avançadas, como dispositivos de microondas e optoeletrônicos, grandes espelhos telescópicos, utensílios domésticos como cooktops, panelas e janelas de fornos, implantes cirúrgicos, implantes e restaurações dentárias. Suas propriedades mecânicas superiores em relação à dos vidros são a principal razão dessas aplicações [17, 18, 19, 20, 21].

Os materiais vitrocerâmicos possuem uma grande flexibilidade em termos de aplicações, uma vez que é possível obter diferentes propriedades através do controle da estrutura cristalizada em seu interior. A microestrutura dos materiais vitrocerâmicos pode ser facilmente controlada através de alterações na composição química inicial do vidro e pelos parâmetros utilizados em seu tratamento térmico. Deste modo é possível preparar um grande número de tipos de materiais vitrocerâmicos com inúmeras combinações de propriedades, as quais podem ser obtidas para as mais diversas aplicações. Tais propriedades estão relacionadas com

a composição química, constituição cristalográfica e microestrutura. Dentre essas propriedades exibidas pelos materiais vitrocerâmicos estão a resistência ao atrito, dureza, resistência a altas temperaturas e a oxidação, baixo coeficiente de expansão térmica, resistência ao ataque químico, estabilidade dimensional, condutividade térmica intermediária entre a das cerâmicas e dos vidros e propriedades elétricas e ópticas distintas [8, 22].

Pelo fato dos materiais vitrocerâmicos parcialmente cristalizados serem formados por pelo menos duas fases distintas, ou seja, uma cristalina e uma amorfa, suas propriedades mecânicas estão diretamente ligadas não apenas à composição das fases, mas também aos efeitos gerados durante o tratamento térmico. Nessa última situação, os cristais podem adquirir os mais variados tamanhos, bem como a sua fração volumétrica no material base pode ser controlada.

2.5 NUCLEAÇÃO

Um líquido que tenha sido super-resfriado e transformado em um vidro pode ser cristalizado se submetido a um tratamento térmico entre as temperaturas de transição vítrea e cristalização. Quando aquecido nessas condições, a viscosidade do vidro atinge valores suficientes para permitir a difusão atômica. Naturalmente, os átomos movem-se buscando a configuração com menor energia, ou seja, cristalizam-se. Com isso, são formados pequenos arranjos atômicos ordenados, com as características de um cristal, chamados de embriões ou núcleos cristalinos. Estes núcleos devem atingir um raio crítico para permanecerem estáveis, caso contrário, podem ser dissolvidos pelas flutuações térmicas existentes no material [8].

A nucleação pode ser classificada como homogênea ou heterogênea, dependendo da maneira que ocorre no material vítreo. Na nucleação homogênea os núcleos surgem de maneira aleatória no volume do material, não havendo preferências espaciais para a ocorrência deste fenômeno. A composição química do material deve ser homogênea em todo o volume para que ocorra esse tipo de nucleação [12, 23].

No caso da nucleação heterogênea, imperfeições contidas na superfície e/ou no volume do material podem atuar como agentes nucleantes, tornando-se sítios

preferenciais para a nucleação. Riscos, bolhas, interfaces entre diferentes fases e impurezas contidas no vidro são exemplos de imperfeições que podem servir de agentes nucleantes, fazendo com que haja a nucleação em superfícies já existentes [12, 16].

A nucleação ainda pode ser classificada quanto à região em que ocorre, podendo ser superficial ou no volume. A nucleação superficial é heterogênea e ocorre de maneira mais veloz quando comparada à nucleação no volume [24, 25].

Zanotto e colaboradores [26], baseados em vários dados experimentais de nucleação para diversos vidros silicatos, concluíram que os vidros que têm temperatura de transição vítrea reduzida Tgr (Tgr = Tg/Tf) maiores que ~0,58-0,60 apresentam apenas cristalização superficial (geralmente heterogênea), enquanto que os vidros que apresentam nucleação no volume (homogênea) possuem Tgr< 0,58-0,60. Dentre a grande variedade de vidros silicatos listada em seu trabalho, os vidros LS2 e 2N1C3S são caracterizados com sua temperatura de transição vítrea reduzida em torno de 0,55 para o LS2 e 0,51 para o 2N1C3S, sendo então classificados como vidros que nucleiam homogeneamente no volume. Ainda em seu trabalho, é apresentada uma relação com a temperatura de máxima nucleação para a maioria dos vidros listados, que para o caso dos vidros citados acima, essa temperatura está nas proximidades de suas respectivas temperaturas de transição vítrea.

Em termos práticos a taxa de nucleação pode ser estimada pela quantidade de cristais que são formados pelo tempo de tratamento térmico, considerando que todos os cristais tiveram origem em um núcleo. Sendo assim, independentemente do tipo de nucleação, a taxa pode ser escrita como ( 1 ):

= ( 1 )

onde I é a taxa de nucleação, N é o número de cristais formados e t é o tempo de tratamento térmico [16].

No caso real, a nucleação só atinge um regime estacionário após algum tempo de tratamento térmico, antes disso, a nucleação ocorre de forma não- estacionária. A nucleação não estacionária está associada com um desequilíbrio na

quantidade de núcleos estáveis e instáveis que são formados no material em tratamento [8, 12].

Na Figura 3 temos o número de núcleos formados no vidro 2N1C3S em função do tempo para a temperatura de 450 °C. Nesse vidro, observamos o comportamento não-estacionário até o tempo definido como , que define a transição do regime não-estacionário para o regime estacionário de nucleação. A linha pontilhada na figura representa a extrapolação do regime estacionário (região linear), onde ao interceptar o eixo X é definido o tempo de indução (t ind). Esse parâmetro é utilizado para predizer o tempo a partir do qual o material atingiu o regime de nucleação estacionária [12, 16]

Figura 3: Dependência do número de cristais com o tempo de tratamento do vidro 2N1C3S em 450 °C.

Fonte: [27].