Vidros: Estrutura, Propriedades e Processamento Dachamir

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Vidros Estrutura, Propriedades e Processamento

• Dachamir Hotza
• Universidade Federal de Santa Catarina

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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.

Smith, 1996 640 Schaffer,1999 187
3
Material cristalino
Líquido
Schaffer,1999 187
?V (Líquido)
Volume específico
Cristal
?V(Cristal)
Tm
Temperatura
4
Material vítreo
Líquido
Líquido super-resfriado
Schaffer,1999 187
Volume específico
Vidro
Cristal
Tm
Tg
Temperatura
5
Taxa de resfriamento
Fernandes,1999 24
Resfriamento rápido
Volume específico
Resfriamento lento
Tg2
Tg1
Temperatura
6
Material semi-cristalino
Líquido
Schaffer,1999 187
Mudança de volume
Volume específico
Mudança de inclinação
Tm
Tg
Temperatura
7
Material vítreo x cristalino
Vidro de sílica
Schaffer,1999 207
Intensidade
Cristobalita
sen ???
8
Material vítreo x cristalino
Fernandes,1999 31
Vidro de sílica
Cristal 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

Fernandes,1999 24 Schaffer,1999 208
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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

Schaffer,1999 208
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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

Smith,1996 681
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Vidros metálicos
Forno
Metal fundido
Smith,1996 683
Sistema de fundição sob pressão
Controle de espessura
Resfriamento (T ambiente)
Fita de cobre de alta velocidade
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Polímeros amorfos

• Materiais orgânicos constituídos de
  macromoléculas
• Ligações intracadeias covalentes fortes
• Ligações intercadeias secundárias fracas
• Polímeros
• Termofixos arranjo tridimensional, totalmente
  amorfos
• Termoplásticos amorfos ou parcialmente
  cristalinos
• Processamento de termoplásticos
• Resfriamento rápido amorfos
• Resfriamento lento parcialmente cristalinos

Padilha,1997 210
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Polímero amorfo baquelite
Padilha,1997 210
C6H4OH
CH2
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Principais vidros óxidos

• Sílica
• Fundida difícil de fundir e fabricar, uso até
  1000C
• 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

Smith, 1996 643
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Composições de vidros óxidos
Smith, 1996 643 Fernandes,1999 40
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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 CaCO3MgCO3 (dolomita)
• BaO BaCO3
• Estabilizantes
• Al2O3 feldspatos
• PbO Pb3O4 (zarcão), PbO (litargírio), carbonato
  básico
• ZnO ZnCO3 (smithsonita), ZnO (zinquita)

Fernandes,1999 40
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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

Fernandes,1999 40
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Estrutura de vidros óxidos
Smith,1996 642
Soda-cal
Alumina-sílica
Si4
O2-
Na
Al3
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Deformação viscosa de vidros

• Ponto de fusão (melting point)
• Viscosidade 10 Pas (considerado líquido)
• Ponto de trabalho (working point)
• Viscosidade 103 Pas (facilmente deformado)
• Ponto de amolecimento (softening point)
• Viscosidade 4?106 Pas (máxima T na qual uma
  peça de vidro pode ser manipulada sem variações
  dimensionais)
• Ponto de recozimento (annealing point)
• Viscosidade 1012 Pas (difusão atômica
  suficientemente rápida remoção de tensões
  residuais)
• Ponto de tensão (strain point)
• Viscosidade 3?1013 Pas (para T menores, ocorre
  fratura sem deformação plástica Tg gt ponto de
  tensão)

Callister, 1997 415
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Deformação viscosa de vidros
Temperatura (F)
96 Sílica
Boros- silicato
Sílica fundida
P. tensão
Callister, 1997 415
P. recozimento
Viscosidade (Pas)
Viscosidade (P)
P. amolecimento
Faixa de trabalho
P. trabalho
P. fusão
Soda-cal
Temperatura (C)
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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

Fernandes,1999 55
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Forno de potes

• Potes
• Queimadores
• Purga
• Boca
• Compartimentos
• Regeneradores
• Fumos

Fernandes,1999 56
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Forno tanque

• Fusão/afinagem
• Carga
• Queimadores
• Pórticos
• Garganta
• Anteparos
• Trabalho/ acondicionamento
• Distribuição
• Alimentador
• Gota

Fernandes,1999 56
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Forno tanque etapas de fusão
T (C)
Fernandes,1999 81
Fusão
Afinagem
Homogeneização
Acondicionamento
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Conformação de vidros

• Prensagem
• pratos
• Sopro
• garrafas
• Laminação ou estiramento
• vidro plano
• Fiação
• fios, fibras

Norton, 1952 162 Fernandes,1999 62
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Prensagem
Norton, 1952 163
28
Sopro
Callister, 1996 416
29
Vidros planos
Schaffer, 1999 688
Vidro fundido
Laminação
Vidro fundido
Quente Frio
Estanho líquido
Flutuação
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Processos de laminação
Fernandes,1999 70
Distribuidor
Colburn
Fourcault
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Fios e tubos
Vidro fundido
Vidro fundido
Fluxo de ar
Tubo
Platina
Norton, 1952 167 Schaffer, 1999 689
Mandril
Fibra de vidro
Fiação
Fabricação de tubos
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Tratamento térmico de vidros

• Recozimento (annealing)
• Aquecimento a temperatura de recozimento, seguida
  de resfriamento
• Alívio de tensões térmicas
• Têmpera (tempering)
• Aquecimento a TgtTg e lt 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

Callister, 1996 417
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Vidro temperado
Livre de tensão
T0gtTg
Livre de tensão
Livre de tensão
Schaffer, 1999 568
Têmpera a T1ltTg
Mais frio
Compressão
Mais quente
Tensão
T1ltTg
T2ltT1
Mais frio
Compressão
Têmpera a T2ltT1
Tensão
?T menor
T1ltTg
T2ltT1
?T maior
Compressão
?T menor
Tensão
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Devitrificação e vitrocerâmica
Fusão e conformação
Barsoum, 1997 323
Crescimento
Nucleação
Temperatura
Tempo