Non-stoichiometric crystallization of glasses in the combeite-devitrite (Na2O.2CaO.3SiO22Na2O.3CaO.6SiO2) joint: initial and advanced stages

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Macena, Guilherme da Silva
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-28052025-102623/
Resumo: It is known that glass is a condensed state of matter, non-crystalline and out of equilibrium, characterized by the glass transition phenomenon rather than a specific material. The structure of glass tends to relax toward that of the supercooled liquid related to the temperature at which it is found and crystallization. This phenomenon is of great importance in the production of glasses and glass-ceramics, materials produced by the controlled crystallization of glasses. A crystalline phase of significant technological and commercial interest is combeite, Na2O·2CaO·3SiO2, which finds various applications, from window glass to bioglasses. This composition easily forms a glass, relatively, and exhibits a solid solution range. The crystals initially show a high sodium concentration during solidification, progressively decreasing with subsequent growth. Aiming to understand the effect of non- stoichiometry and solid solution formation on crystallization, this work focused on studying the kinetics of combeite crystal formation in glasses within the Na2O·2CaO·3SiO2-Na2O·3CaO·6SiO2 joint. The nucleation rates were measured during the initial stages of crystallization, where the interaction of crystal nuclei can be neglected, along with growth and the variation in the composition of the crystals and the residual glass as the crystallization process advances. Optical and electron microscopy were used for microstructure characterization, differential scanning calorimetry (DSC) for monitoring the crystalline fraction and obtaining characteristic temperatures (liquidus and glass transition temperature, Tg), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for determining the composition of the present phases. The results show that the deviation of the parent glass composition from the stoichiometry of the precipitated crystals leads to a reduction in the thermodynamic driving force for crystallization and an increase in the interfacial energy between the crystalline nucleus and the supercooled liquid, significantly decreasing the nucleation rate. Quantitative analysis of concentration profiles in the diffusion zone, marked by calcium accumulation due to its rejection by the growing crystal, revealed that the nucleation rate significantly decreases near the crystal-glass interface, driven by the increased work required for critical nucleus formation caused by the higher calcium concentration. This study contributes to understanding the complex crystallization mechanisms of non-stoichiometric glasses and the fundamental knowledge and practical applications of these materials.
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spelling Non-stoichiometric crystallization of glasses in the combeite-devitrite (Na2O.2CaO.3SiO22Na2O.3CaO.6SiO2) joint: initial and advanced stagesCristalização não estequiométrica em vidros da junção combeíta-devitrita (Na2O.2CaO.3SiO2Na2O.3CaO.6SiO2): estágios iniciais e avançadoscrescimento de cristaiscristalizaçãocrystal growthcrystallizationdiffusiondifusãonão-estequiometrianon-stoichiometrynucleaçãonucleationoxide glassvidros óxidoIt is known that glass is a condensed state of matter, non-crystalline and out of equilibrium, characterized by the glass transition phenomenon rather than a specific material. The structure of glass tends to relax toward that of the supercooled liquid related to the temperature at which it is found and crystallization. This phenomenon is of great importance in the production of glasses and glass-ceramics, materials produced by the controlled crystallization of glasses. A crystalline phase of significant technological and commercial interest is combeite, Na2O·2CaO·3SiO2, which finds various applications, from window glass to bioglasses. This composition easily forms a glass, relatively, and exhibits a solid solution range. The crystals initially show a high sodium concentration during solidification, progressively decreasing with subsequent growth. Aiming to understand the effect of non- stoichiometry and solid solution formation on crystallization, this work focused on studying the kinetics of combeite crystal formation in glasses within the Na2O·2CaO·3SiO2-Na2O·3CaO·6SiO2 joint. The nucleation rates were measured during the initial stages of crystallization, where the interaction of crystal nuclei can be neglected, along with growth and the variation in the composition of the crystals and the residual glass as the crystallization process advances. Optical and electron microscopy were used for microstructure characterization, differential scanning calorimetry (DSC) for monitoring the crystalline fraction and obtaining characteristic temperatures (liquidus and glass transition temperature, Tg), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for determining the composition of the present phases. The results show that the deviation of the parent glass composition from the stoichiometry of the precipitated crystals leads to a reduction in the thermodynamic driving force for crystallization and an increase in the interfacial energy between the crystalline nucleus and the supercooled liquid, significantly decreasing the nucleation rate. Quantitative analysis of concentration profiles in the diffusion zone, marked by calcium accumulation due to its rejection by the growing crystal, revealed that the nucleation rate significantly decreases near the crystal-glass interface, driven by the increased work required for critical nucleus formation caused by the higher calcium concentration. This study contributes to understanding the complex crystallization mechanisms of non-stoichiometric glasses and the fundamental knowledge and practical applications of these materials.Sabe-se que o vidro é um estado condensado da matéria, não cristalino e fora do equilíbrio, caracterizado pelo fenômeno da transição vítrea, e não um material específico. A estrutura do vidro tende a relaxar para a do líquido super-resfriado característico da temperatura em que se encontra e se cristalizar. Esse fenômeno é de grande importância na produção de vidros e vitrocerâmicas, materiais produzidos pela cristalização controlada de vidros. Uma fase cristalina de grande interesse tecnológico e comercial é a combeíta, Na2O.2CaO.3SiO2, que encontra diversas aplicações, desde vidros de janela até biovidros. Essa composição forma vidro com relativa facilidade e apresenta um intervalo de solução sólida. Durante o processo de cristalização, os cristais dessa fase inicialmente apresentam alta concentração de sódio, que diminui progressivamente com o crescimento subsequente. Visando compreender o efeito da não estequiometria e formação de solução sólida na cristalização, este trabalho teve como objeto estudar a cinética de formação de cristais de combeíta em vidros no sistema Na2O.2CaO.3SiO2- Na2O.3CaO.6SiO2. Suas taxas de nucleação e crescimento de cristais foram medidas junto com a variação da composição da solução sólida e do vidro residual durante o processo de cristalização. Foram utilizadas microscopia óptica e eletrônica, calorimetria exploratória diferencial (DSC) para acompanhamento da fração cristalina e obtenção das temperaturas características (liquidus e transição vítrea Tg), e espectroscopia de raios X por dispersão de energia (EDS) para a determinação da composição das fases presentes. Ainda é importante ressaltar que, durante os estágios iniciais, podemos ignorar a interação entre núcleos cristalinos e a influência dessa proximidade na composição do vidro residual, diferentemente dos estágios avançados de cristalização. Os resultados mostram que o desvio da composição do vidro precursor da estequiometria dos cristais precipitados leva a uma redução na força motriz termodinâmica e a um aumento da energia interfacial núcleo cristalino-líquido super-resfriado, diminuindo significativamente as taxas de nucleação e crescimento. A análise quantitativa dos perfis de concentração na zona de difusão revelou que a taxa de nucleação diminui drasticamente próximo à interface cristal-vidro devido ao aumento do trabalho de formação do núcleo crítico causado pelo aumento de concentração de cálcio, que é rejeitado pelo cristal em crescimento se acumulando em sua fronteira, caracterizando assim a zona de difusão. Este estudo aumenta a compreensão dos mecanismos complexos de cristalização de vidros não- estequiométricos, contribuindo para o entendimento fundamental e aplicações práticas desses materiais.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPFerreira, Eduardo BelliniMacena, Guilherme da Silva2025-03-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18158/tde-28052025-102623/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-06-02T13:17:02Zoai:teses.usp.br:tde-28052025-102623Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-06-02T13:17:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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