Métodos para aumentar a resistência mecânica de vidros e vitrocerâmicos: estudo de caso

Antonio P. Novaes de Oliveira

Universidade Federal de Santa Catarina

Resumo
A resistência mecânica teórica dos vidros é de ~7000 MPa. Vidros comerciais, os quais contêm defeitos, principalmente nas suas superfícies, apresentam resist. mec. entre 35 e 70 MPa. Assim, tensões residuais compressivas na superfície podem aumentar a resist. mec. de componentes de vidro. É possível aumentar a resist. mec. de vidros eliminando os defeitos nas suas superfícies por meio de polimento a quente o qual resulta em um aumento temporário da resist. mec. a partir do momento em que o material é colocado em serviço. Outra maneira, é a deposição de um revestimento protetor. No entanto, a maneira mais eficiente p/ aumentar a resist. mec. é a indução de tensões residuais compressivas na superfície dos componentes de vidro ou de vitrocerâmicos. Neste caso, a profundidade da camada compressiva deve ser maior (50 µm) que os defeitos presentes na superfície. Como a maioria dos defeitos nos vidros alcançam dimensões entre 1 e 10 µm, sugere-se que a espessura da camada compressiva seja maior que 30 µm tal a promover uma efetiva proteção à fratura decorrente da presença de defeitos de superfície. Os processos conhecidos e disponíveis para aumento da resist. mec. de vidros por meio da indução de tensões compressivas na superfície de componentes de vidros incluem têmpera térmica e química, esmaltação e cristalização de superfície. Destes métodos, a cristalização de superfície foi o menos estudado dada a complexidade do entendimento dos mecanismos que resultam neste processo de cristalização. Por outro lado, a medida das taxas de crescimento (U) de camadas cristalinas a partir da superfície livre de vidros sujeitos a cristalização de superfície (a maioria), é simples o que permite a definição de ciclos térmicos e assim o controle da espessura das camadas cristalizadas e das propriedades dos materiais obtidos. Composições vitrocerâmicas dos sistemas Li2O-ZrO2- SiO2 (LZS) e Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3 (LZSA) foram exploradas no VITROCER no que se refere a sinterização e a cristalização de pós de vidro, mas nenhum estudo foi realizado com relação a determinação das taxas de crescimento de camadas cristalizadas e a influência destas na resist. mec. dos materiais obtidos. Neste contexto, amostras foram submetidas a tratamentos térmicos (825-950 °C)/(30-150 min) e então preparadas tal que imagens das camadas cristalizadas puderam ser visualizadas (MO/MEV) e medidas. Os resultados mostraram que é possível obter-se vitrocerâmicos do sistema LZS com camadas cristalizadas (contendo silicatos de Li e de Zr) com espessuras entre 50 e 3480 µm as quais crescem com U entre 6 e 25 µm/min. Nos vidros de LZSA as camadas cristalizadas, contendo principalmente espodumênio e silicatos de Zr e Li, apresentaram espessuras entre 13 e 665 µm e cresceram com U compreendidas entre 0,4 e 4,8 µm/min. As camadas cristalinas formadas promoveram um incremento significativo da resistência mecânica à flexão dos materiais produzidos, isto é, de 72 p/ 120 MPa (LZS) e de 59 p/ 134 MPa (LZSA).

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