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Vidro: definição e estrutura (vidro é sólido ou líquido?)

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Academic year: 2021

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(1)

Vidro: definição e estrutura

1

Profa Ana Candida M. Rodrigues

Laboratório de Materiais Vítreos

Departamento de Engenharia de Materiais

Universidade Federal de São Carlos

(2)

CIÊNCIA DOS MATERIAIS

Materiais, segundo a sua estrutura se dividem em:

Cristalinos

(3)
(4)
(5)
(6)

Esquema das formas alotrópicas do silício: monocristal,

policristal, e silício amorfo

ESTRUTURA CRISTALINA

X

(7)

•ESTRUTURA CRISTALINA X

Amorfa

Vidro

:

material não cristalino que apresenta o fenômeno

da transição vítrea.

Silica Cristalina (Quartzo, Areia) Silica Vítrea (Vidro)

Silício Oxigênio

(8)

ESTRUTURA CRISTALINA

X

(9)

ESTRUTURA CRISTALINA

X

(10)

ESTADO VÍTREO 10

Material vítreo

x

cristalino

Estrutura ordenada

(11)

Vidro: definições

Produto inorgânico de fusão que foi resfriado até

atingir uma condição de rigidez, sem sofrer

cristalização.

(Restringe os vidros a produtos de fusão)

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.

(12)

Vidro: definições

Vidro é um material não cristalino, que

apresenta o fenômeno da transição

vítrea.

O estado físico correspondente é o

estado vítreo.

J. Zarzycki - Les verres et l’état Vitreux

(13)

Vidro: definições

Glass is a nonequilibrium, non-crystalline state of

matter that appears solid on a short time scale but

continuously relaxes towards the liquid state.”*

Glass is a nonequilibrium, non-crystalline, condensed

state of matter that exhibits a glass transition. The

structure of glasses is similar to that, of their parent

supercooled liquids (SCL), and they spontaneously relax

toward the SCL state. Their ultimate fate, in the limit of

infinite time, is to crystallize.”*

* E.D. Zanotto, J.C. Mauro, The glassy state of matter: Its definition and ultimate fate, Journal of Non-Crystalline Solids, V. 471, 1 September 2017, Pages 490-495

(14)

Vidro: definições

Tradução:

“O vidro é um estado da matéria que não é

cristalizado e não está em equilíbrio, que parece

sólido em uma escala de tempo curta mas relaxa

continuamente rumo ao estado líquido.”

Super-interessante -

https://super.abril.com.br/ciencia/afinal-vidro-e-solido-ou-liquido/

(15)

Vidro: definições

ESTADO VÍTREO 15

The glassy state of matter: Its definition and ultimate fate

(16)

Vidros: tensões

(17)

Estória térmica e tensões

residuais

Glass annealed for 1 hour at Tg* – 50 ºC (Tg calculated from SciGlass database)

Fully annealed glass – minimum residual stress

Increasing stress

Glasses as observed in cross-polarized light under a polarimeter

(18)

Impacto da estória termica na

tensão residual

(19)

Vidro: relaxação

Vidro: relaxação

VIDRO- introdução

( )

=

t

t

exp

0

M. Hara and S. Suetoshi, “Density changes of glass in the transformation Range”, Rep Res. Lab. Asahi Glass Co. 5 (1955) 126 0 200 400 600 800 1000 2,494 2,496 2,498 2,500 2,502 T=516ºC annealed T=516ºC quenched d e n si d a d e (g /cm 3 ) tempo (min) Tf = 500 oC Tf = 560 oC Te = 530 oC 19

( )

=

t

t

exp

0

M. Hara and S. Suetoshi, “Density changes of glass in the transformation Range”, Rep Res. Lab. Asahi Glass Co. 5 (1955) 126 0 200 400 600 800 1000 2,494 2,496 2,498 2,500 2,502 T=516ºC annealed T=516ºC quenched d e n si d a d e (g /cm 3 ) tempo (min) Tf = 500 oC Tf = 560 oC Te = 530 oC

(20)

VIDRO é um SÓLIDO ou

LIQUIDO ?

VIDRO é um SÓLIDO ou

LIQUIDO ?

VIDRO- introdução

Do cathedral

glasses flow?*

*American Journal of Physics 66, 392 (1998);

20

Do cathedral

glasses flow?*

O estado físico correspondente é o

estado vítreo.

(21)

Material cristalino

ESTADO VÍTREO 21 Temperatura V (Líquido) Líquido V(Cristal) Cristal V ol ume es pe cí fic o Tm

(22)

Material vítreo

ESTADO VÍTREO 22 Temperatura Líquido super-resfriado Líquido Cristal V ol ume es pe cí fic o Tm Tg Vidro

(23)

Taxa de resfriamento

ESTADO VÍTREO 23 Temperatura Resfriamento lento V ol ume es pe cí fic o Tg2 Tg1 Resfriamento mais lento

(24)

Ent

ro

py

.

T

melt

T

g

Temp.

Cristalização controlada

(25)

RELAXAÇÃO ESTRUTURAL

Vidro é um estado da matéria condensada, fora de

equilíbrio e não-cristalino, que exibe o fenômeno da

transição vítrea. A estrutura dos vidros é similar à do

liquido super-fundido que o originou, e eles relaxam

espontaneamente ruma ao estado de líquido

super-fundido. Seu destino final, em um limite do tempo

infinito, é cristalizar.

* E.D. Zanotto, J.C. Mauro, The glassy state of matter: Its definition and ultimate fate, Journal of Non-Crystalline Solids, V. 471, 1 September 2017, Pages 490-495

(26)

Arranjo atômico em vidros

ESTADO VÍTREO 27

W. H. Zachariasen

(27)

ESTADO VÍTREO

28

Vidro: estrutura

W. H. Zachariasen

(28)

Oitenta anos depois

Huang, P.Y. et al –

Nano Lett. 2012, 12,

1081−1086

W. H. Zachariasen

The atomic arrangement in glass

(29)

Material vítreo

x

cristalino

;

(Foi omitido um oxigênio para maior clareza) Vidro de sílica Cristal de sílica

Unidades estruturais

(30)

ORDEM A CURTO ALCANCE

Representação esquemática de tetraedros SiO4

adjacentes, mostrando o ângulo de ligação Si-O-Si. Círculos maiores: Si; Círculos menores: O;

(31)

VIDROS

Vidro é um material “proibido pela

termodinâmica”

É um material meta-estável.

Sua obtenção é uma questão cinética.

Depende da velocidade de

resfriamento.

Quando aquecido a T> Tg tende a

cristalizar.

(32)

ESTADO VÍTREO 33

vidros soda-cal-sílica

SiO2: formador Na2O: modificador CaO: modificador

(33)

ESTADO VÍTREO 34

Estrutura de Vidros óxidos

Al3+ Na+ O 2-Si4+ Al2O3: intermediário

(34)

Sistemas formadores de vidro

Elementos: S, Se, Te, P

Óxidos: SiO

2

, B

2

O

3

, P

2

O

5

, GeO

2

, As

2

O

5

, Sb

2

O

3

,

In

2

O

3

, SnO

2

, PbO

3

, SeO

2

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: Au

4

Si, Pd

4

Si, Fe-Si-B

(35)

Ligações químicas e vidro

Vidros iônicos (inorgânicos)

Óxidos

Sais

Vidros covalentes (orgânicos)

Polímeros

Moléculas simples

Semicondutores amorfos

Vidros metálicos

Ligas

ESTADO VÍTREO 36

(36)

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 (~10

6

K/s)

Fita contínua de ~25 m de espessura e 15 cm de largura

(37)

Vidros metálicos

(metal amorfo)

ESTADO VÍTREO 38 Forno Sistema de fundição sob pressão Controle de espessura Resfriamento (T ambiente) Fita de cobre de alta

velocidade Metal fundido

(38)

ESTADO VÍTREO 39

CRISTALIZAÇÃO

(devitrificação)

Figura 1:. A energia livre de Gibbs do líquido é sempre maior que a do cristal correspondente. O excesso

de energia livre do líquido em relação ao cristal é a força motriz para a cristalização do vidro. (O

vidro é considerado um líquido super-resfriado).

em T > Tm, o cristal é metaestável, em T < Tm, o líquido, ou vidro, é metaestável em relação ao cristal. Em Tm, cristal e líquido estão em equilíbrio termodinâmico.

Figura 1: Variação com a temperatura da energia livre de

(39)

ESTADO VÍTREO 40

dependência do trabalho para a nucleação em função do raio do núcleo·.

CRISTALIZAÇÃO

V

G

r 

3

3

4

Energia de volume:

2

4 r

Energia de superfície:

= diferença da energia livre termodinâmica entre as fases envolvidas por unidade de volume da fase nucleada.

V G

3 2

4

3

4

r

G

r

W

=

V

+

Núcleos estáveis embriões

(40)

Transformação de fase Vidro-Cristal

(41)

ESTADO VÍTREO 42

Stanley Donald Stookey,

(42)

ESTADO VÍTREO 43

VITROCERÂMICAS

www.neg.co.jp

Referências

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