[EXPLICANDO A MATÉRIA] Materiais Amorfos (Vidros)

No Explicando A Matéria de hoje, traremos um material amorfo muito presente no nosso cotidiano: O Vidro. Diferentemente dos sólidos cristalinos, os sólidos amorfos carecem de um arranjo atômico regular e sistemático por distâncias atômicas relativamente longas. A sua formação depende da facilidade de uma estrutura atômica se transformar em um estado ordenado durante a solidificação.

Os vidros são compostos por silicatos não cristalinos que contém outros óxidos, como CaO, Na2O, K2O e Al2O3, que influenciam suas propriedades. Suas principais características são a transparência óptica e a relativa facilidade de fabricação.

Os materiais vítreos se solidificam de maneira diferente dos materiais cristalinos. Com o resfriamento a partir do fundido, um vidro se torna continuamente mais viscoso; não existindo uma temperatura definida na qual o líquido se transforma em um sólido. No caso desses materiais, o volume específico diminui com a redução na temperatura, havendo uma diminuição na inclinação da curva da temperatura de transição vítrea. Abaixo dessa temperatura, o material é considerado como sendo um vidro; acima dessa temperatura, o material é um líquido super-resfriado.

Tratando-se da conformação do vidro, as características de viscosidade-temperatura são fatores determinantes. Assim, para identificação dos pontos específicos na escala da viscosidade, podemos destacar:
1. Ponto de fusão corresponde à temperatura na qual a viscosidade é de 10 Pa.s; o vidro é fluido o suficiente para ser considerado um líquido
2. Ponto de trabalho representa a temperatura na qual a viscosidade é de 103 Pa.s; o vidro é deformado com facilidade nessa viscosidade
3. Ponto de amolecimento é a temperatura na qual a viscosidade é de 4.106 Pa.s; é a temperatura máxima na qual uma peça de vidro pode ser manuseada sem que ocorram alterações significativas nas suas dimensões.
4. O ponto de recozimento é a temperatura na qual a viscosidade é de 1012 Pa.s; nesta temperatura, a difusão atômica é suficientemente rápida, e quaisquer tensões residuais podem ser removidas em um intervalo de aproximadamente 15 min.
5. O ponto de deformação corresponde à temperatura na qual a viscosidade se torna 3.1013 Pa.s; para temperaturas abaixo do ponto de deformação, haverá fratura antes do início da deformação plástica. A temperatura de transição vítrea será superior ao ponto de deformação.

É importante ressaltar que a temperatura desses pontos varia de acordo com a composição do vidro, por exemplo, os pontos de amolecimento para os vidros de cal de soda e com 96% de sílica são de aproximadamente 700ºC e 1550ºC, respectivamente. Assim, a capacidade de conformação do material depende da sua composição.

A produção do vidro ocorre por meio do aquecimento das matérias-primas acima da temperatura de fusão, a fim de se obter um material homogêneo e livre de poros. Atualmente, existem cinco métodos de conformação diferentes para a fabricação dos produtos à base de vidro: prensagem, sopro, estiramento e conformação de chapas e fibras. A prensagem, dada pela aplicação de pressão em um molde, é utilizada principalmente na fabricação de peças espessas, como pratos e louças. Já o sopro, diferentemente dos processos manuais que costumamos ver para peças de arte, foi completamente automatizado para a produção de jarras, garrafas e bulbos de lâmpadas de vidro. O estiramento, por sua vez, é usado para conformar peças de vidro longas que possuem uma seção transversal constante, como chapas, barras, tubos e fibras. Enquanto que a conformação de chapas, antes produzidas por fundição, atualmente são feitas através do processo de flutuação (mais econômico), no qual a tira de vidro contínua flutua sobre a superfície de estanho fundido. E por fim, as fibras de vidro contínuas são conformadas por meio de uma operação de estiramento através de pequenos orifícios na base da câmara de aquecimento de platina.

Como mencionado anteriormente, o resfriamento do material cerâmico a partir de uma temperatura elevada, forma tensões internas, devido a diferença na taxa de resfriamento e na contração térmica entre a superfície e o interior da peça, podendo, em casos extremos, levar à fratura, em um fenômeno denominado choque térmico. Então, para evitar as tensões térmicas, o resfriamento da peça é feito em uma taxa suficientemente lenta. Porém, caso as tensões tenham sido introduzidas, é feito um tratamento de recozimento para a redução da sua magnitude; o tratamento ocorre através do aquecimento da peça até o ponto de recozimento e então é resfriada lentamente até a temperatura ambiente.

Também é possível melhorar a resistência do vidro através de tratamento térmico, esse processo, conhecido como têmpera térmica, ocorre pela indução de tensões residuais compressivas na superfície da peça. Nessa técnica a peça é aquecida até uma temperatura acima da região de transição vítrea e abaixo do ponto de amolecimento, e então é resfriada até a temperatura ambiente por meio de um jato de ar ou banho de óleo. Inicialmente a superfície se resfria mais rapidamente e, uma vez que tenha resfriado até uma temperatura abaixo do ponto de deformação, ela se torna rígida; enquanto o interior, que se resfria mais lentamente, está em uma temperatura mais elevada (acima do ponto de deformação). Com a continuação do resfriamento, o interior tende a puxar o exterior para dentro, formando tensões de compressão em sua superfície e tensões de tração no seu interior, ao atingir a temperatura ambiente.

Fonte: CALLISTER, W. D.,Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.