Modello bidimensionale della silice cristallina (a) e della silice vetrosa (b)

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1 Modello bidimensionale della silice cristallina (a) e della silice vetrosa (b)

2 VETRO: solido amorfo che presenta il fenomeno della transizione vetrosa A Equilibrio stabile D C B Equilibrio metastabile Equilibrio instabile E F G Se si raffredda abbastanza velocemente le unità strutturali non hanno il tempo di disporsi allo stato cristallino; tra le proprietà del vetro che il corrispondente solido non ha vi è il graduale rammollimento e non un unica temperatura di fusione, inoltre la viscosità cresce gradualmente con la temperatura.

3 VETRO Settori principali vetro cavo (bottiglie e contenitori) vetro piano (vetrate) vetro tecnico (fibre, vetri per ottica, vetroceramiche, ) Fasi del processo produttivo Scoperta del vetro soffiato: 250AC 1) scelta delle materie prime 2) preparazione della miscela vetrificabile: umidificazione (si evitano spolverio, perdita di frazioni più fini, demiscelazione e segregazione 3) Fusione 4) omogeneizzazione ed affinaggio: omogeneità della composizione mediante mescolamento da correnti convettive, eliminazione delle bolle (aria, H 2 O, CO 2 ) mediante aumento della T 5) Condizionamento: scelta T e η 6) Formatura: intervallo di lavorazione, η= poise 7) Ricottura: η= poise

4 Punto di inizio lavorazione o lavorabilità η 10 3 Pa*s: punto in cui si può lavorare il vetro che è sufficientemente fluido. Vetro allumino-silicato Punto di rammollimento (o di fine lavorazione) η 10 7 Pa*s: punto in cui il vetro scorre per effetto del suo peso (Punto di inizio lavorazione e rammollimento identificano l intervallo di lavorazione) Punto di ricottura η Pa*s: si rilassano le tensioni interne Punto di tensione η Pa*s: punto al di sotto del quale (ossia per temperature inferiori) il vetro è rigido Vetro borosilicato: più lungo rispetto al vetro allumino-silicato

5 Materie prime per il bagno di fusione: vetrificante silice introdotta sotto forma di sabbia (o B 2 O 3, P 2 O 5, GeO 2, ) fondente aiuta il processo di fusione abbassandone la temperatura: soda o potassa sotto forma di solfati o carbonati (Na 2 CO 3, CaCO 3 ) stabilizzante conferisce al vetro maggior stabilità e resistenza chimica e fisica (CaO MgO Al 2 O 3 BaO PbO) Tipi di finitura Meccaniche: pulitura, molatura, smerigliatura, intaglio. Chimiche: opacificazione ottenuta tramite acido fluoridrico. Termiche: fusione locale per incollaggio di più parti, ricottura, tempra.

6 Vetro comune o sodalime (sodico-calcico) 71-73% SiO 2 (sabbia) 12-14% Na 2 O, 10-12% CaO (carbonati) Gli ossidi diminuiscono il punto di rammollimento, da 1600 C a 730 C Lastre (vetro bianco): ossido di Fe<0.2% Il vetro borosilicato e il vetro Pyrex L aggiunta di boro (15-30 mol%) riduce la viscosità del fuso ma in maniera meno pronunciata che nei silicati alcalini. L espansione termica è ridotta ed i vetri possiedono buona resistenza agli shock termici e agli agenti chimici (Stoviglieria da forno, vetreria da laboratorio, bulbi per lampade). Vetro Pyrex: Na 2 O 4%, B 2 O 3 16%, SiO 2 80%, per effetto della immiscibilità si forma una fase ricca in silice e una fase ricca in boro e sodio.

7 Il vetro Vycor Il vetro Vycor contiene il 96% di SiO 2 Si ottiene da un vetro borosilicato (Na 2 O 10%, B 2 O 30%, SiO 2 60%) che a causa dell immiscibilità si compone di due fasi intimamente interconnesse. La parte ricca in alcali viene attaccata e digerita con acidi e il risultante materiale poroso viene trattato a 1000 C a cui i pori collassano e si riducono. Schema della struttura di un vetro Vycor I cristalli I vetri al piombo (comunemente e impropriamente detti cristalli) sono caratterizzati da elevato indice di rifrazione per la luce e quindi brillantezza, bassa temperatura di rammollimento, lavorabilità alle mole (effetto swarowski, intaglio e incisione)

8 Forno a Bacino

9 Processo float ( 1970) SiO % - Al 2 O 3 0.1% - CaO 8.7% - MgO 3.9% - Na 2 O 13.8% azoto, idrogeno 1000 C 6-7 mm La superficie non deve essere lucidata Lavorazioni secondarie: vetro curvo, stratificato, temprato

10 VETROCERAMICHE Importante classe di materiali ceramici policristallini, ottenuti da controllata devetrificazione di un vetro. Il vetro residuo è tipicamente 2-5%. Si introducono nella massa vetrosa dei cristalli insolubili che fungono da siti di nucleazione ( ad es. Au, Cu, Ag TiO 2 P 2 O 5 ); in questo modo si ottiene la nucleazione eterogenea su un substrato costituito da piccoli cristalli dell agente nucleante capaci di catalizzare la crescita ordinata che porta alla formazione della fase cristallina. Facilità di processo rispetto ai materiali ceramici Assenza di porosità Proprietà meccaniche migliorate rispetto al vetro Coefficienti di espansione termica inferiori e controllabili attraverso la composizione

11 Sistemi più importanti: basato su Li 2 O-SiO 2 Li 2 O>30% che dopo cristallizzazione da la fase Li 2 Si 2 O 5 Vetroceramiche LAS: Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2

12 Tempra del vetro Ne aumenta le proprietà meccaniche TEMPRA TERMICA: T>Tg, vetro di sicurezza. Spessore e coefficiente di dilatazione devono essere sufficientemente elevati L'interno non riesce perciò a contrarsi nella quantità voluta e si pone in trazione, mentre la superficie è costretta dall'interno a contrarsi più di quanto competerebbe alla sua temperatura, con l'effetto di risultare in compressione

13 Rottura di vetri temprati termicamente nel caso di tempra omogenea e di un parabrezza temprato disomogeneamente.

14 TEMPRA CHIMICA: T<Tg, non è un vetro di sicurezza. Anche su spessori sottili; il vetro deve contenere ioni alcalini opportuni. Si mette a contatto la superficie di un vetro contenente ioni Na + con una sorgente di ioni di dimensioni maggiori, ad esempio K + Valore di resistenza raggiungibile: circa 700 MPa rispetto a circa 150 MPa ottenibili con la tempra termica