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Descripcion vitrio
 

Descripcion vitrio

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Te presento una descripcion de los materiales vitreos.

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    Descripcion vitrio Descripcion vitrio Document Transcript

    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 1 DESCRIPCIÓN DE LOS MATERIALES VÍTREOSLos vidrios se definen como materiales no cristalinos (amorfos).De una manera un tanto simplificada podríamos establecer dosgrandes grupos de materiales vítreos. En uno de ellos incluiríamoslas CERÁMICAS VÍTREAS basadas en los silicatos concantidades variables de diferentes óxidos como el de sodio o el decalcio, que como veremos juegan un papel fundamental en laestructura y propiedades del vidrio. En el otro gran grupoincluiríamos los VIDRIOS METÁLICOS formados a partir dediversas aleaciones metálicas como Cu-Zr, Fe-Ni-Cr-Pb-B, quecon las composiciones adecuadas y sometidas a las condicionesde enfriamiento pertinentes darán lugar a materiales amorfos coninteresantes propiedades.El fenómeno de la cristalización requiere tiempos largos ya que lasposiciones de equilibrio de la red cristalina se alcanzan a través demecanismos difusivos. Esto significa que para alcanzar el estado amorfohay que enfriar el líquido lo suficientemente rápido como para que nopuedan ocurrir los movimientos difusivos que llevarían a los átomos aocupar sus posiciones de equilibrio en la red cristalina. En el caso de losvidrios metálicos este enfriamiento debe ser extraordinariamente rápido(más de un millón de grados por segundo), mientras que los vidriossilicatos no presentan unas tendencia a la cristalización tan grande y portanto no se requieren enfriamientos tan rápidos.Una pregunta fundamental que cabe hacerse es ¿qué entendemos por unamorfo? Podríamos empezar diciendo que se trata de materialestotalmente desordenados pero esto no es cierto ni siquiera para un líquido.Las posiciones relativas de los primeros vecinos son prácticamente lasmismas en un amorfo y en un cristal, por lo tanto no podemos hablar dedesorden total. La diferencia fundamental entre un amorfo y uncristal es que en el primero el orden está restringido a los vecinosmás próximos y por tanto sólo presentan orden de corto alcance.La exigencia de extremas velocidades de enfriamiento ha hecho que losvidrios de silicato se hayan desarrollado mucho antes (miles de años antes)que los vidrios metálicos y por este motivo empezaremos por ellos ladescripción de lo que es una estructura vítrea.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 2Hay una primera cuestión que llama nuestra atención. El componentebásico de lo que hemos llamado vidrios cerámicos (o cerámicas vítreas) esla sílice, sin embargo la sílice es también el componente básico de laarcilla. ¿Cómo se pueden llegar a dos materiales tan distintos a partir de unmismo componente? Sílice amorfa Sílice cristalina Vidrio de silicato A la vista de estas estructuras podemos afirmar que la sílice en cualquiera de sus variedades tiene un ESTRUCTURA MUY ABIERTA. Y esto va a ser el punto fundamental en la formación de vidrios porque va a permitir la incorporación de grandes cantidades de impurezas a la red, lo que como veremos a continuación es de vital importanciaPaloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 3 Por qué es tan importante la incorporación de impurezas a la red de sílice? Muy simple: la temperatura de fusión de la sílice es de unos 1700ºC, pero veamos el diagrama de fases del sistema SiO2-Na2O. La adición de pequeñas cantidades de óxido de sodio a la sílice rebaja su energía de fusión drásticamente. ¿Cuál es el papel de estas impurezas en la estructura de la sílice? Hay óxidos capaces de formar vidrios como el SiO2 y el B2O3 + (formadores de red). Modificador de red, Na Hay óxidos como los de Na, Formador de red K, Ca o Mg capaces de romper la red del vidrio (modificadores de red). Los iones de oxígeno entran en la red de SiO2 en los puntos deOxígenopuente unión de los tetraedros, dejando iones de oxígeno con un electrón desapareado. La gran proporción de volumen abierto de la estructura permite que los iones Oxígeno no puente metálicos se acomoden sin tener que entrar a formar parte de la red. Paloma Fernández Sánchez Departamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 4Otra característica de la estructura es el diferente papel quepueden jugar los iones de oxígeno. La mayor parte de los ionesoxígeno están compartidos por dos iones Si+4 y se denominanformadores de puente. Sin embargo hay puntos en donde la redestá rota como consecuencia de la presencia de modificadores dered, en tales puntos no es posible la unión de iones Si+4 a través delos oxígenos y se habla de oxígenos no formadores de puente.Finalmente hay un tercer tipo de óxidos que no son capaces deformar vidrio por sí solos pero que sin embargo son capaces deincorporarse a una red vítrea ya existente. Estos óxidos sedenominan INTERMEDIARIOS o INTERMEDIOS. Entre ellosse encuentra la alúmina (Al2O3).Alguno de los grupos (SiO4)-4 puede ser reemplazado por grupos(AlO4)-4, aunque, puesto que la valencia del Al es +3 hacen faltaiones alcalinos que suministren la carga positiva necesaria paramantener la neutralidad eléctrica.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 5Vayamos ya al proceso de solidificación que finalmente conducirá a laformación del vidrio.En un vidrio no podemos hablar de una temperatura de solidificación comoen los materiales cristalinos sino que siempre deberemos referirnos a unrango de temperaturas, cuya extensión además será función de lascondiciones en las que se esté verificando el proceso de enfriamiento.Al enfriar el líquido se va haciendo cada vez más viscoso. El volumenespecífico va disminuyendo de manera continua. Esta contracción es elresultado de la combinación de dos efectos: .- Como en la mayor parte de las sustancias cristalinas al enfriarse sereducen las distancias interatómicas y consecuentemente el volumen. .- Se produce un reordenamiento de los átomos, que se va haciendomás lento a medida que progresa el enfriamiento, hasta que finalmentellega un momento en que la viscosidad es tan alta que ya no permite másmovimientos atómicos y por tanto cesa el reordenamiento. A la temperaturaa la que esto ocurre se la denomina de vitrificación.El rango de temperatura comprendido entre la de fusión y la devitrificación es lo que se conoce como TRANSICIÓN VÍTREA o RANGODE TRANSFORMACIÓN VÍTREA. La temperatura de vitrificación se define como aquélla a la cual la pendiente de la curva VS(T) alcanza una pendiente constante. Por encima de esta temperatura tenemos un líquido subenfriado y por debajo un vidrio. Otros dos parámetros de gran importancia en la descripción de los vidrios son la viscosidad, de la que nos ocuparemos a continuación y el coeficiente de expansión lineal del que tan sólo esquematizamos sudependencia con la temperatura enalgunos grupos de materiales.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 6La viscosidad merece especial atención como lo prueba el hecho de que esel parámetro que hemos elegido para monitorizar el progreso de lavitrificación.PUNTO DE FUSIÓN: Temperatura a la cual la viscosidad es del orden de 10Pa-s(100poises). A partir de aquí el vidrio es suficientemente como para poder serconsiderado un líquido.PUNTO DE TRABAJO: Temperatura a la cual la viscosidad es 103Pa-s (104poises). Elvidrio es fácilmente deformado y por tanto puede ser trabajado sin que se rompa. Siseguimos enfriando esto ya no será así. El vidrio tiene que ser suficientemente blandocomo para poder moldearlo pero no tanto que se rompa.PUNTO DE ABLANDAMIENTO: Temperatura a la cual la viscosidad es 4106 Pa-s (4107 poises). A esta temperatura el vidrio fluye por su propio peso. Es la temperaturamáxima a la cual se puede manipular una pieza sin alterar significativamente susdimensiones. Aunque hemos dado un valor de la viscosidad de referencia, éste no esmuy preciso ya que va a depender bastante de la densidad y la tensión superficial delvidrio.PUNTO DE RECOCIDO: Temperatura a la cual la viscosidad es de 1012Pa-s(1013poises). A esta temperatura la difusión es suficientemente rápida como para quecualquier tensión residual pueda ser eliminada en tiempos cortos, del orden de 15minutos.PUNTO DE DEFORMACIÓN: Temperatura a la cual la viscosidad alcanza valores de3 1013Pa-s (3 1014 poises). A temperaturas por debajo de este punto, la fractura ocurreantes de que haya deformación plástica. La temperatura de transición vítrea está porencima del punto de deformación.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 7Veamos una de las diferencias fundamentales entre los vidrios de silicato descritos hastaaquí y los vidrios metálicos que mencionábamos al principio.En un silicato tenemos una red de enlaces covalentes que unendos átomos distintos. La recristalización requiere la ruptura demuchos enlaces por lo que el aporte energético inicial por partedel sistema para producir la recristalización debe ser muy alto.En el caso de los vidrios metálicos, los enlaces son muy pocodireccionales, la cohesión se debe a la interacción entre la red deiones positivos y la nube electrónica. En estas condiciones laordenación es más fácil y por lo tanto la recristalización másrápida y requiere un menor aporte energético inicial por parte delsistema, es decir el estado amorfo es menos estable. DESCRIPCIÓN DE LAS PROPIEDADES DE LOS SÓLIDOS AMORFOSLa característica más notoria de estos materiales es la ausencia deorden de largo alcance. Esto significa que, al contrario de lo queocurre en un cristal, el conocimiento de las posiciones atómicasde una región no nos permite predecir cuáles serán las posicionesatómicas en otra región más o menos distante. A corto alcancesólo en el caso de los gases se puede realmente hablar dealeatoriedad, ya que tanto en los líquidos como en los gases seobservan valores de densidad que sólo son compatibles conempaquetamientos más o menos compactos de átomos. Ahorabien, la obtención de estos empaquetamientos impone ciertasrestricciones, esto es lo que nos permite hablar de orden de cortoalcance. Este orden de corto alcance está siempre presente, sinembargo entre el sólido cristalino y el líquido hay bastantesdiferencias, mientras que entre el líquido y el sólido amorfoencontramos bastantes semejanzas. Sin embargo el número deátomos que rodean a un átomo dado y la distancia interatómicamedia son similares en las fases sólida y líquida como corroborala similitud encontrada en los valores de la densidad de cada fase.Básicamente hay tres modelos que intentan explicar la estructurade un amorfo (en realidad hay muchos más, pero estamos tratandoun esquema muy simplificado).Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 8MODELO MICROCRISTALINO: Los materiales amorfos estánconstituidos por un elevado número de agregados cristalinos, cadauno de ellos constituido por alrededor de 100 átomos. Estosagregados cristalinos están dispersos en el sólido y se enlazanentre sí mediante una “red” cuya naturaleza hay que especificar.La limitación en el número de átomos en el agregado proviene delhecho de que no se pueden conseguir agregados compactos demayor tamaño con energía suficientemente pequeña como paraestabilizar la estructura.MODELO POLIÉDRICO: De nuevo estamos ante unempaquetamiento de átomos, enlazados según una configuracióntetraédrica como la que veremos en el modelo delempaquetamiento al azar. Sólo para pequeños números de átomosconsigue empaquetamientos perfectos con baja energía; paranúmeros elevados de átomos hay que empezar a admitir un ciertogrado de frustración (separación del empaquetamiento compacto).Tampoco es capaz de definir la naturaleza de la “red” en la quielos agregados están dispersos. Los aglomerados resultantes eneste modelo poseen ejes de rotación de orden cinco, elemento desimetría prohibido en los cristales.MODELO DE EMPAQUETAMIENTO DENSO AL AZAR: Estemodelo fue propuesto inicialmente por Bernal para explicar laestructura de los líquidos. Su interés actual es fundamentalmentehistórico. Se trata de ir ensamblando esferas de forma que laconfiguración sea lo más compacta posible. En cada etapa vamosañadiendo un nueva esfera tan cerca como sea posible del centrodel agregado correspondiente. Las cuatro primeras esferasconstituirán un tetraedro regular porque este el poliedro quepermite un empaquetamiento más denso, sin embargo a medidaque el número de esferas vaya aumentando, la configuración iráperdiendo compacidad puesto que no podemos rellenarcompletamente el espacio a base de tetraedros regulares.Para determinar la distribución de átomos en un material y portanto acercarnos al tipo de orden presento podemos hacer unanálisis de rayos X. En las gráficas siguientes representamos laintensidad de la radiación dispersada en función del ángulo dedifracción, para diferentes estructuras. En un gas se mantienePaloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 9prácticamente constante como corresponde a una distribuciónaleatoria de átomos. En el c aso de líquidos y sólidos amorfos nopodemos hablar de periodicidad pero se observa una fuertemodulación que efectivamente indica un cierto grado de cortoalcance. Finalmente en el sólido cristalino las direcciones dedispersión están perfectamente bien definidas dando lugar a laslíneas típicas de difracción.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM
    • Descripción de los materiales vítreos: introducción 10Siempre que se manejan materiales caracterizados por distintas formas deorden resulta útilintroducir un parámetroque nos permitacuantificar el grado deorden. En el caso de losvidrios este parámetropuede definirse a partirde la intensidad de rayosx difractada. Comoprimer paso definimos loque se conoce comoDISTRIBUCIÓNRADIAL que nosproporciona el valor de ladensidad media deátomos en función de ladistancia a un átomo dereferencia dado. A partirde esta función,definimos laDISTRIBUCIÓN DEPARES que se obtienerestando de ladistribución radial ciertascontribuciones de laintensidad difractadacomo puede ser la de losátomos individuales. Ladistribución de paresrepresenta el número de pares de átomos en función de la separación entrelos átomos que constituyen el par.Una función de distribución radial típica presenta una serie de 4 ó 5 picoscuya amplitud decrece paulatinamente. El área encerrada por los picos esproporcional al número de átomos existentes a la correspondiente distancia.La anchura de los picos ilustra cómo de próximos están agrupados losátomos para una distancia radial determinada. El primer pico representa lacontribución de los átomos vecinos más próximos. Es más acusado que elresto porque las distancias entre vecinos más próximos son similares. Dehecho el empaquetamiento de estos átomos es muy compacto. Al crecer laseparación entre los átomos la anchura de los picos aumenta, paradistancias por encima de unos cuatro diámetros atómicos se anula y ladensidad atómica se aproxima a la del material considerado globalmente.Paloma Fernández SánchezDepartamento de Física de Materiales, Físicas, UCM