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Master's Dissertation
DOI
Document
Author
Full name
Guilherme da Silva Macena
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Ferreira, Eduardo Bellini (President)
Cassar, Daniel Roberto
Zanotto, Edgar Dutra
Title in Portuguese
Cinética de cristalização não-estequiométrica de vidros no sistema Na2O.2CaO.3SiO2 – Na2O.3CaO.6SiO2
Keywords in Portuguese
Crescimento
Cristalização
Não-estequiométrica
Nucleação
Vidro
Abstract in Portuguese
O sistema soda-cal-sílica se destaca na ciência e tecnologia de vidros, pois encontra enorme gama de aplicações, desde os tradicionais vidros de janela até biomateriais. Mesmo assim, a cinética de transformação de fases e em particular a cinética de cristalização de vidros não é bem conhecida em diversas regiões de composições nesse sistema clássico, dentre elas a do binário combeíta-devitrita (Na2O.2CaO.3SiO2 – Na2O.3CaO.6SiO2). Neste trabalho, a cinética de cristalização de vidros de várias composições no sistema combeíta-devitrita foi investigada por técnicas de microscopia ótica. A partir da determinação experimental das taxas de nucleação e crescimento, e do time-lag para nucleação, as energias interfaciais sólido-líquido super-resfriado para núcleos de tamanho crítico foram estimadas, assim como as difusividades para cada vidro. As temperaturas de transição vítrea, do início (onset) do pico de cristalização, liquidus e de transformação polimórfica da combeíta foram determinadas por Calorimetria Exploratória Diferencial em função da composição do vidro matriz. A taxa de nucleação da combeíta (fase cristalina primária) foi estimada em função da temperatura pelo "método do desenvolvimento" ou método de Tamman, em que primeiro realiza-se um tratamento térmico de nucleação de cristais e depois um tratamento para o crescimento dos mesmos até um tamanho mensurável ao microscópio óptico, para vidros de composições 100, 75 e 66,7 % em mol de combeíta. Observou-se um decréscimo da taxa de nucleação com a variação da composição, à medida que a mesma se distancia da combeíta estequiométrica e aproxima-se da composição eutética, devido a mudanças termodinâmicas e cinéticas, tais como o aumento da energia interfacial sólido-vidro e a diminuição da cinética de difusão, respectivamente. Também observou-se a mudança de composição da combeíta cristalizada e do vidro residual através da variação das temperaturas de transformação polimórfica e de transição vítrea, respectivamente, determinadas por DSC. Os resultados obtidos sobre a cinética de cristalização de vidros não-estequiométricos são originais e relevantes para o projeto da microestrutura de novos materiais vitrocerâmicos.
Title in English
Nonstoichiometric crystallization kinetics of glasses in the Na2O.2CaO.3SiO2 – Na2O.3CaO.6SiO2 system
Keywords in English
Crystallization
Glass
Growth
Nonstoichiometric
Nucleation
Abstract in English
The soda-lime-silica system excels in glass science and technology due its wide range of applications, from traditional window glass to biomaterials. Nevertheless, the kinetics of phase transformation and in particular the glasses crystallization kinetics is not well known in several regions of compositions in this classical system, among them the combeite-devitrite joint (Na2O.2CaO.3SiO2-Na2O.3CaO.6SiO2). In this work, the kinetics of glass crystallization of several compositions in the combeite-devitrite joint was investigated by optical microscopy techniques. From the experimental determination of nucleation and growth rates, and time-lag for nucleation, the solid-supercooled liquid interfacial energies for critical-sized nuclei were estimated as well as the diffusivity for each glass. The glass transition, onset of crystallization peak, liquidus and combeite polymorphic transformation temperatures were determined by Differential Scanning Calorimetry as a function of matrix glass composition. The nucleation rate of the combeite (primary crystalline phase) was estimated as a function of temperature by the "development method" or by the method of Tammann, in which first a heat treatment for nucleation of the crystals is performed and then a treatment for growth up to one measurable size by optical microscope, for glasses of compositions 100, 75 and 66.7% mol of combeite. A decrease was observed in the nucleation rate with the variation of the composition as it distances from the stoichiometric combeite and approaches the eutectic composition due to thermodynamic and kinetic changes, such as the increase of the solid-glass interfacial energy and the decrease in diffusion kinetics, respectively. The change in composition of crystallized combeite and residual glass was also observed by the change of the polymorphic transformation and glass transition temperatures, respectively, determined by DSC. The results obtained on the crystallization kinetics of non-stoichiometric glasses are original and relevant for the design of the microstructure of new glass-ceramic materials.
 
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Publishing Date
2019-04-29
 
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