Introdução
O vidro como material é onipresente em nossa vida cotidiana. Seja como vidros de janelas, óculos de leitura, taças de vinho ou nos componentes eletrônicos de nossos telefones celulares - as áreas de aplicação do vidro são versáteis e variadas. Basicamente, os vidros são sólidos amorfos que não têm uma ordem estrutural atômica de longo alcance. Os vidros mais usados consistem principalmente em compostos de óxido inorgânico, como dióxido de silício (SiO2) e óxido de sódio (Na2O), além de outras misturas [1]. As proporções de mistura - ou a pureza dos componentes - determinam as propriedades e, portanto, a faixa de aplicação.
O vidro de silicato puro, também chamado de sílica fundida, é um tipo especial de vidro que consiste em óxido de silício altamente puro e não contém nenhuma impureza significativa. Em comparação com outros vidros inorgânicos, ele apresenta resistência a altas temperaturas, baixa expansão térmica, resistência química e biocompatibilidade, além de alta transparência óptica, que vai do ultravioleta ao infravermelho [2]. Esse material encontra aplicações em vários campos, inclusive como óculos de visualização em ambientes de alta temperatura, funcionando como lentes em sistemas de laser, apoiando procedimentos de implantologia e sendo utilizado em instrumentos analíticos como dilatômetros.
Medição das propriedades termomecânicas de vidrosVidros por meio de DMA
A análise dinâmico-mecânica (DMA, na sigla em inglês) é um método experimental para investigar as propriedades viscoelásticas dos materiais. Isso envolve a análise da resposta do material a cargas mecânicas periódicas para determinar propriedades como elasticidade, viscosidade e amortecimento. O DMA 303 Eplexor® é um instrumento dinâmico-mecânico de mesa que permite níveis de força total de até 50 N. O sistema apresenta uma faixa de temperatura de -170°C a 800°C, o que é exclusivo para instrumentos de bancada. Com base nessas propriedades, tanto materiais na faixa de baixa temperatura, como polímeros, quanto materiais altamente rígidos, como aços, cerâmicas ou vidros, podem ser caracterizados a temperaturas de 800°C.
Resultados da medição
A Figura 1 compara a medição de DMA em um vidro float convencional (curva azul), como o utilizado em janelas residenciais, com o de sílica pura fundida (curva vermelha) de 100°C a 800°C. A medição foi realizada em flexão de 3 pontos com um comprimento de flexão livre de 20 mm e uma frequência de 1 Hz. As amostras cúbicas têm uma espessura de 1 mm e uma largura de 10 mm, sendo que o contorno externo das amostras foi suavizado.
Tanto o vidro de sílica fundida quanto o vidro de silicato puro têm um módulo de armazenamento, E', de pouco menos de 70 GPa a 100°C. O módulo de armazenamento, E', descreve as propriedades elásticas do material; em termos simples, sua rigidez.
Com o aumento da temperatura, o módulo de armazenamento do vidro de sílica fundida diminui ligeiramente e assume um valor de aproximadamente 60 GPa a 500°C. A 566°C (início extrapolado), ocorre um forte declínio no módulo de armazenamento, E', juntamente com um aumento significativo em tan δ. Tan δ representa as propriedades de amortecimento de um material ou sua dissipação de energia.
Essa é a característica de transição vítrea (Tg) para sólidos amorfos. Em temperaturas abaixo da Tg, os materiais são em sua maioria sólidos e possivelmente quebradiços. Na transição vítrea, a energia cinética dos átomos não estruturados torna-se suficientemente alta para superar a ligação intermediária. Nesse ponto, o vidro fica mais macio e pode ser moldado. Por esse motivo, a medição não é continuada ao atingir esse ponto, para evitar o derretimento do vidro no suporte da amostra.
Por outro lado, o vidro de silicato puro, conforme mostrado na figura 1, apresenta um comportamento bastante atípico para sólidos. Dentro da faixa de Modelo de hambúrgueresO modelo de Burgers é um modelo geral de um material viscoelástico, comumente usado para descrever uma medição de recuperação de fluência em classic. temperatura observada, não ocorre amolecimento do material. Em vez disso, o módulo de armazenamento, E', aumenta ligeiramente com o aumento da temperatura. Babcock et al. [3] presumem a coexistência de duas estruturas atômicas de ordem de curto alcance que têm diferentes forças de ligação e densidades. Com o aumento da temperatura, a estrutura com forças de ligação atômica mais altas é cada vez mais formada e o material se torna mais rígido.
O exemplo demonstra o uso de vidro de silicato puro para aplicações de alta temperatura. Embora o vidro de silicato puro também possa ser empregado para temperaturas acima de 600°C, o vidro de sílica fundida convencional não garantiria mais a estabilidade estrutural. Além disso, esse exemplo ilustra o comportamento diferente que pode ser exibido por materiais que são bastante semelhantes tanto visual quanto quimicamente, e como a análise dinâmico-mecânica pode ajudar a investigar isso.
Resumo
A análise dinâmico-mecânica é um método normalmente usado para determinar a transição vítrea de polímeros amorfos e semicristalinos. O DMA 303 Eplexor® permite que os materiais sejam analisados a 800°C, uma faixa de temperatura sem igual entre os instrumentos de bancada. Isso permite que até mesmo materiais empregados na faixa de medium a altas temperaturas, como metais, cerâmicas ou vidros, sejam caracterizados e avaliados quanto à sua aplicação.