Efeito da alta pressão na cristalização e propriedades do vidro Na2O·2CaO·3SiO2

Abstract

O vidro Na2O·2CaO·3SiO2 foi produzido em pressão atmosférica pelo processo convencional de fusão e submetido a dois processos distintos: cristalização in situ e cristalização ex situ. No primeiro processo, amostras vítreas foram submetidas a altas pressões (2,5 GPa, 4,0 GPa e 7,7 GPa) e alta temperatura (720 °C/30 min) simultaneamente. Após os processamentos, a caracterização por difração de raios X apontou que a fase cristalina majoritária formada, a combeíta, independe da pressão, com pequenos indícios de uma transformação iniciando em 7,7 GPa; o refinamento Rietveld mostrou que os parâmetros de rede se mantiveram sem grandes alterações, mas o tamanho de cristalito diminuiu com a pressão, indicando um aumento da barreira cinética de cristalização. Com espectroscopia Raman foram identificados os modos vibracionais presentes na amostra e com FTIR, as bandas de absorção, cujos resultados apresentaram grande estabilidade estrutural da vitrocerâmica formada. O processo de cristalização ex situ foi feito a partir de amostras processadas em alta pressão (2,5 GPa, 4,0 GPa e 7,7 GPa) em temperatura ambiente e, posteriormente, cristalizadas em pressão atmosférica. A espectroscopia Raman realizada nas amostras processadas não apresentou mudanças nos modos vibracionais. A análise térmica diferencial mostrou um aumento na temperatura de transição vítrea e diminuição na estabilidade térmica. Ensaios de microdureza Vickers apresentaram trincas radiais com tamanhos similares em todas amostras e laterais maiores para amostras de pressões mais elevadas, indicando que o estresse interno nesse material aumentou com o processamento em pressões mais altas. A cristalização foi realizada por um tratamento duplo, nucleação em 585 °C seguido por crescimento em 720 °C, com tempos distintos para cada amostra. A análise da nucleação apontou uma diminuição no número de cristais por unidade de volume para valores maiores de pressão. Essa diminuição pode ser associada a um aumento na barreira cinética para cristalização, devido a um aumento na temperatura de transição vítrea, o que também distancia a temperatura de nucleação da temperatura de máxima nucleação, e também a um aumento no tempo de relaxação, visto o maior estresse presente no material.

A Na2O·2CaO·3SiO2 glass was produced in atmospheric pressure by the conventional melting and rapid cooling method and subjected to two different processes: in situ crystallization and ex situ crystallization. In the first process, glassy samples were subjected to high pressures (2.5 GPa, 4.0 GPa and 7.7 GPa) and high temperature (720 °C/30 min) simultaneously. After the processing, x ray diffraction characterization indicated that the major crystalline phase formed, the combeite, is independent from pressure, with minor traces of a transformation starting at 7.7 GPa; Rietveld refinement showed that the lattice parameters remained constant, however, the crystallite size decreased with pressure, implying an increase in the kinetic barrier for crystallization. Raman spectroscopy identified the present vibrational modes and FTIR the absorption bands, with all results showing great structural stability of the formed glass-ceramic The ex situ crystallization process was performed with samples processed under high pressure (2.5 GPa, 4.0 GPa and 7.7 GPa) at room temperature, and then crystallized in atmospheric pressure. With Raman spectroscopy no modifications in the vibrational modes were observed. Differential thermal analysis showed an increased in the glass transition temperature and a decrease in the thermal stability. Vickers microhardness presented radial cracks, with similar sizes, and lateral cracks, with bigger sizes for higher pressure values, implying that the internal stress of the material increased with the higher pressure processing. The crystallization was performed with a double stage treatment, nucleation at 585 °C followed by crystal growth at 720 °C, with different times for each sample. Nucleation analysis showed a decrease in the number of crystals per unit volume for higher pressure values. This decrease can be associated with an increaase in the kinetic barrier for crystallization, due to an increase in the glass transition temperature, which distanced the maximum nucleation temperature, and also an increase in the relaxation period, since a higher stress was present in the material.