Vitrocerâmicas transparentes não-estequiométricas de silicato de lítio reforçadas por troca iônica

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Santana, Geovana Lira
Orientador(a): Zanotto, Edgar Dutra lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de São Carlos
Câmpus São Carlos
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEM
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://hdl.handle.net/20.500.14289/22716
Resumo: Glass-ceramics generally exhibit superior mechanical, electrical, and thermal properties compared to their parent glasses. However, achieving these properties often requires crystal growth, which increases light scattering and reduces transmittance. To overcome this drawback, ion-exchange processing can be employed to enhance the mechanical strength of these materials while maintaining transparency in the visible range. This process, widely applied in glass strengthening, consists of replacing alkali ions on the glass surface with larger ones from a molten salt bath. The size mismatch generates a compressive stress layer that reinforces the glass-ceramic. Nevertheless, the mechanisms of chemical strengthening in glass-ceramics remain not fully understood due to their complex microstructure. In this context, this thesis developed transparent lithium silicate glass-ceramics reinforced through ion exchange. The study, organized into chapters, first analyzed the influence of nucleating agents on obtaining transparent glass-ceramics with a high crystallized fraction (~80%) and high transmittance (80% at 550 nm) within reduced crystallization times. Additionally, the effect of microstructure (crystallized fraction) on mechanical strength and on the depth of layer (Li⁺ ↔ Na⁺) was investigated. The results revealed a stronger tendency for chemical strengthening in glass-ceramics with lower crystallized fraction (~50%), which reached flexural strength values of 767 and 670 MPa for the GN8 and GN9 compositions, respectively. Furthermore, experimental evidence indicated that the decrystallization phenomenon occurred preferentially in these samples, mainly affecting the lithium metasilicate crystalline phase. Overall, the results highlight the potential for producing transparent lithium silicate glass-ceramics within reduced processing times and demonstrate the effectiveness of the ion-exchange process in strengthening these materials.
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To overcome this drawback, ion-exchange processing can be employed to enhance the mechanical strength of these materials while maintaining transparency in the visible range. This process, widely applied in glass strengthening, consists of replacing alkali ions on the glass surface with larger ones from a molten salt bath. The size mismatch generates a compressive stress layer that reinforces the glass-ceramic. Nevertheless, the mechanisms of chemical strengthening in glass-ceramics remain not fully understood due to their complex microstructure. In this context, this thesis developed transparent lithium silicate glass-ceramics reinforced through ion exchange. The study, organized into chapters, first analyzed the influence of nucleating agents on obtaining transparent glass-ceramics with a high crystallized fraction (~80%) and high transmittance (80% at 550 nm) within reduced crystallization times. Additionally, the effect of microstructure (crystallized fraction) on mechanical strength and on the depth of layer (Li⁺ ↔ Na⁺) was investigated. The results revealed a stronger tendency for chemical strengthening in glass-ceramics with lower crystallized fraction (~50%), which reached flexural strength values of 767 and 670 MPa for the GN8 and GN9 compositions, respectively. Furthermore, experimental evidence indicated that the decrystallization phenomenon occurred preferentially in these samples, mainly affecting the lithium metasilicate crystalline phase. Overall, the results highlight the potential for producing transparent lithium silicate glass-ceramics within reduced processing times and demonstrate the effectiveness of the ion-exchange process in strengthening these materials.As vitrocerâmicas geralmente apresentam propriedades mecânicas, elétricas e térmicas superiores às observadas em seus vidros precursores. No entanto, a obtenção dessas propriedades frequentemente exige o crescimento dos cristais, o que favorece o espalhamento da luz e reduz a transmitância. Para superar esse problema, tem-se o processo de troca iônica, que permite aumentar a resistência mecânica destes materiais, mantendo a sua transparência no visível. Esse processo, amplamente utilizado no fortalecimento de vidros, consiste na substituição de íons alcalinos na superfície do material por íons de raio maior provenientes de um banho de sal fundido. A diferença no tamanho dos íons gera uma tensão de compressão superficial que fortalece a vitrocerâmica. Entretanto, os mecanismos de fortalecimento químico nesses materiais ainda não são totalmente compreendidos, devido à sua microestrutura complexa. Diante desse contexto, nesta tese foram desenvolvidas vitrocerâmicas transparentes de silicato de lítio reforçadas pelo processo de troca iônica. O estudo, dividido em capítulos, iniciou-se com a análise da influência de agentes de nucleação na obtenção de vitrocerâmicas transparentes com alta fração cristalizada (~80%) e elevada transmitância (80% em 550 nm) com tempos de cristalização reduzidos. Adicionalmente, investigou-se o efeito da microestrutura (fração cristalizada) sobre a resistência mecânica e a profundidade da camada formada pelo processo de troca iônica Li+ <-> Na+. Os resultados mostraram uma maior tendência ao fortalecimento químico nas vitrocerâmicas com menor fração cristalizada (~50%), que atingiram valores de resistência à flexão de 767 e 670 MPa para as composições GN8 e GN9, respectivamente. Além disso, evidências experimentais indicaram que o fenômeno da decristalização ocorreu preferencialmente nessas amostras, afetando principalmente a fase cristalina de metassilicato de lítio. Os resultados obtidos fornecem meios para produção de vitrocerâmicas transparentes de silicato de lítio em tempos reduzidos e a utilização do processo de troca iônica no fortalecimento desses materiais.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)88887.500910/2020-00porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarhttps:// doi.org/10.3390/opt6030031Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessIon exchangeMechanical propertiesChemical strengtheningDecrystallizationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSVitrocerâmicas TransparentesTroca iônicaPropriedades mecânicasFortalecimento químicoDecristalizaçãoTransparent glass-ceramicsVitrocerâmicas transparentes não-estequiométricas de silicato de lítio reforçadas por troca iônicaNon-stoichiometric transparent lithium silicate glass-ceramics strengthened by ion-exchangeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALGeovana Lira Santana_Tese.pdfGeovana Lira Santana_Tese.pdfapplication/pdf7471373https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/bfd905bb-6fa3-4726-af60-1eca2907ed00/download51ebd1c9114edfbabeaa584779e3675cMD52trueAnonymousREADCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8906https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/99610616-b3e3-42ac-bb7a-dfef641f326f/downloadfba754f0467e45ac3862bc2533fb2736MD53falseAnonymousREADTEXTGeovana Lira Santana_Tese.pdf.txtGeovana Lira Santana_Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain103270https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/596971ce-1b33-47f6-96c4-0aec11d14371/download5770307deec2dbad2fd75b6d553715fcMD54falseAnonymousREADTHUMBNAILGeovana Lira Santana_Tese.pdf.jpgGeovana Lira Santana_Tese.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg4010https://repositorio.ufscar.br/bitstreams/667ebd94-94ac-404c-86e3-b65fc245785d/downloada8499974adfe2d3f6a7c2cfc5a62f384MD55falseAnonymousREAD20.500.14289/227162025-09-10T03:06:22.819847Zhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilopen.accessoai:repositorio.ufscar.br:20.500.14289/22716https://repositorio.ufscar.brRepositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestrepositorio.sibi@ufscar.bropendoar:43222025-09-10T03:06:22Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false
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