Vetri - STM

I VETRI

Definizione:

• I vetri sono materiali che possiedono una struttura amorfa (i.e. come l'un ordine a corto raggio ma non a lungo raggio).
• Nel reticolo a base di Si, l'atomo a base di Si è equatorialmente ordinato da quattro atomi di O (tetraedro).
• Secondo [ASTM C162-92] il vetro è un prodotto inorganico della fusione raffreddato in una condizione di rigidità senza provocare la cristallizzazione. Si avverà denominato vetro non tenne conto di sol gel, CVD.

Le strutture AMORFE sono TERMODINAMICAMENTE METASTABILI. Si trasformano in cristalline se le condizioni termodinamiche e cinetiche lo permettono.

• I vetri comuni sono il prodotto della solidificazione, senza cristallizzazione, di una miscela omogenea composta principalmente da silice (SiO₂), soda (NaO) e calce (CaO).
• Tipologie di onda nella struttura reticolosa:
• I. FORMATORI DI RETICOLO: con numero di coordinazione 3, sono metalli (Si, B, P, Ge) che uniti con ossigeno danno un reticolo.
• II. MODIFICATORI DI RETICOLO: Numero di coordinazione 6, sono i metalli alcalino terrosi (Na, Ca, Ba, K);
• III. INTERMEDI: Tra i primi due.

(STRUTTURA DELLA SILICE)

(SiO₄)

[I VETRI]

1. Definizione:

• I vetri sono materiali che possiedono una struttura amorfa - (ordinata a corto raggio ma non a lungo raggio).
• Nel reticolo a base di Si, l'atomo a base di Si è circondato da quattro atomi di O (tetraedro).

2. Le strutture amorfe sono termodinamicamente metastabili; si trasformano in cristalline se le condizioni termodinamiche e cinetiche lo permettono.
3. I vetri comuni sono il prodotto della solidificazione, senza cristallizzazione di una miscela omogenea, composta principalmente da silice (SiO₂), soda (NaO) e calce (CaO).

[Tipologie di ioni nella struttura reticolare]

1. Formatori di reticolo: con numero di coordinazione 4, sono metalli (Si, B, P, Ge) che uniti con ossigeno danno un reticolo.
2. Modificatori di reticolo: Numero di coordinazione 6, sono i metalli alcalino terrosi (Na, Ca, Ba, K);
3. Intermedi: (Tra i primi due)

(Struttura della silice)

(SiO₄)

[I 4 postulati di Zachariasen]

1. Formano suoi legami al massimo a due atomi formatori di reticolo. (a due estremi)
2. Il numero di coordinazione dell'atomo formatore di reticolo deve essere piccolo (≤ 4).
3. I poliedri di coordinazione formati dagli atomi di ossigeno devono condividere gli angoli ma non le facce o i lati.
4. I poliedri legati devono formare una struttura tridimensionale.

*BO = BRIDGING OXYGEN* *NBO = NON BRIDGING OXYGEN*

[Ossidi nella struttura vetrosa]

Ossidi intermedi - Non formano reti di per se ma agiscono da formatori di reticolo se aggiunti ad altri ossidi che formano reti. (Cristalli Swarovski - Reti drogati con PbO che aumenta di molto la rifrazione).

[Liquidi vetrogeni]

1. Un fuso di elevata viscosità durante il raffreddamento raggiunge una temperatura inferiore a quella di solidificazione senza permettere alla struttura cristallina di formarsi.
2. Nel solido resta "congelata" in forma metastabile la struttura atomica disordinata del liquido.

Es: SiO₂ fuso a 1720° - η = 10⁶ Pa·s

[ SOLIDIFICAZIONE DI UN VETRO ]

velocità di accrescimento dei cristalli - velocità di raffredda-

mento, non si ha cristallizzazione e il liquido viene

solido, risultando oltre Tg. Il suo volume continua a

diminuire con la temperatura lungo la stessa

rellta. La sua viscosità aumenta rapidamente e il

liquido volge verso uno stato denso e rigido.

Il valore della tg aumenta all'aumentare della

velocità di raffreddamento.

Una caratteristica dei materiale aurfii e' l'isotropia.

[ Principali tipologie di vetri ]

1. Vetro di silice
2. 96% di silice (o)
3. Vetro sodico-calcico (da finestre -70% SiO)
4. Silicato di Pb
5. Borosilicato (resistente agli shock termici)

[ VETRO SODICO-CALCICO ] (Sodalime)

(E ≅ 69 GPa)

• È il più comune
• Basso costo
• Buona resistenza alla dentificazione
• Poco resistente agli shock termici

[ VETRO DI SILICE ]

• Si ottiene per fusione di vetro di silice da quarzo
• a T > 1000°C.
• Si utilizza per strumenti ottici.

[ VETRI CON PIOMBO ]

(E ≤ 61 GPa)

• Temperatura di lavorazione bassa.
• Alto indice di rifrazione.
• Schermi per radiazioni (utilizzo).

[ VETRI BOROSILICATI ]

(Pyrex)

• Eccellenti doti di resistenza agli sbalzi termici.
• Alta resistenza elettrica.
• Elevata resistenza chimica.

[ VETRI ALLUMINO-SILICATI ]

(E ≤ 88 GPa)

• Sopportano temperature elevate (VETRI PER USO DIRETTO SU FIAMMA).
• Bassa dilatazione.

[ Proprietà dei vetri ]

1. Densità (2.2 - 6.3 g/cm³ per i vetri comuni ≃ 2.5 g/cm³).
2. Durezza (≃ 6 della scala Mohs).
3. Elasticità (E_media ≃ 75 GPa).
4. Conduttività termica (Bassissima ≃ 1.4 - 1 W/mK).
5. Indice di rifrazione (n ≃ 1.5 per i vetri comuni).

[ La Viscosità ]

Quantificazione della resistenza di un materiale a fluire; che si misura in poise.

Esempi:

• Acqua ............................. 0.01
• Sangue ......................... 10
• Olio Motore .................. 1000

* I vetri sono lavorabili in un range di temperature e si dividono in vetri lunghi (con grande range di lavorazione) e vetri corti (basso range di lavorazione).

[Viscosità e temperatura]

[Temperatura ℃]

{Frattura} Tg T deformazione

[Resistenza a fatica statica] (TENSOCORROSIONE)

Nel tempo la resistenza meccanica di un vetro decresce, risultando in presenza di acqua e umidità e caldo. Il vetro di una boccia di un vetro in acqua è un fenomeno di tesnocorrosione.

[S-O-Si + H₂O → 2SiOH]

[VETRI DI SICUREZZA]

1. Le normative per guidare il progettista a scegliere fra i vari tipi di vetro tengono conto dei vari parametri.

2. I comportamenti di vetro sono:

• CARICHI DINAMICI (Vento)
• CARICHI STATICI (Neve)
• CARICHI ACCIDENTALI (Grandine e sassi)
• URTO DA PROIETTILE (Armi da fuoco)
• URTO DA CORPO DURO (Attrezzi da scasso)

I vetri di sicurezza si dividono in:

1. Vetri armati (retinato)
2. Vetri temperati
3. Vetri stratificati

1) [Vetri armati]

• Vetri che contengono incorporata una rete metallica. Non migliora la resistenza meccanica ma serve a ritardare la propagazione delle fiamme in caso di incendio.

2) [Vetri temperati]

• Con processi di tipo fisico-chimico vengono poste delle tensioni permanenti di compressione in superficie e di trazione di contrasto (spessore, lunghezza vetri, tubolari). La tempera ha però effetto su vetri già pieni e su vetri con elevato coefficiente di dilatazione termica.
• *Tempera che può essere termica o chimica.

* (x) = Both sides

3) [Vetri stratificati]

• Sono i vetri di sicurezza di maggior impiego (parafrezza).
• Si ottengono dall'unione per riscaldamento e pressaggio in autoclave di almeno due lastre di vetro con uno strato di materiale trasparente interposto (PHNA, PVB, EVA, PC ecc...).