Scienza e Tecnologia dei Materiali

Il Vetro

Fenomenologia della vetrificazione

Il vetro è uno dei primi materiali che l'uomo è riuscito a fabbricare. È frequente trovare manufatti di vetro in buone condizioni negli scavi archeologici: il vetro ha infatti una buona resistenza chimica (non si corrode a contatto con molte sostanze) e perciò il vetro è già usato.

• Sviluppi: Vetro luminescente, ricoperto da un sottile (qualche μm) strato di film che a contatto con la luce UV emette luce visibile
• Gorilla Glass
• Vetri autopulenti
• Invisible Glass

Produzione Italiana 2016

• Vetro Piano (lastre): 821'000 tonn
• Vetro Cavo (bottiglie): 1'062'000 tonn
• Fibre di vetro (per materiali compositi): 86'000 tonn
• Altro: 311'000 tonn (inclusi vetri per farmaceutica, edilizia, laboratorio...)

Definizioni:

Vetro: Solido amorfo che presenta il fenomeno della transizione vetrosa

Vetro (definitivo): Solido amorfo ottenuto per raffreddamento di un liquido e presenta il fenomeno della transizione vetrosa (definisce tra met 50% dei casi: esiste anche il vetro cemento per spintroni di soli che servono per [...] raro)

Solido: Materiale che si oppone a uno sforzo di taglio

Sforzo di taglio:

• Il solido crea nuove superfici
• Il liquido si deforma senza conservare l'equilibrio

Solido amorfo: Le molecole sono disposte tra loro a piccolo disordine (il solido è privo di ordine a lungo raggio).

Fenomenologia: Descrizione del fenomeno

la formazione del vetro a partire da un liquido può essere descritta bene seguendo l'evoluzione del volume specifico in funzione della temperatura

I_m = V _M/M m_(cm³/g)

1. A-B = Liquido (stato di equilibrio)
2. B-C = Transizione liquido-solido cristallino (stato di equilibrio)
3. C-D = Solido cristallino (stato di equilibrio)
4. B-E = Liquido sottoraffreddato (stato di equilibrio metastabile)
5. E-F = Transizione da liquido a vetro
6. F-G = Vetro solido (stato di equilibrio)

T_g: temperatura di transizione vetrosa

!! pendenza FG ≠ pendenza DC

Interval di transizione vetrosa

Vetroda = 2,5g/cm³ (dato medio)

Lastra

Definizioni:

• DILATAZIONE TERMICA DI VOLUME: α_V = ΔV/VΔT [°C^-1] Indica quanto si dilata un materiale in risposta alla variazione della temperatura di 1°C, volumizzazione in base al volume iniziale.
• DILATAZIONE TERMICA LINEARE: α_L = ΔL/LΔT [°C^-1] Generalmente riportato nei manuali, è il coefficiente al quale si è abituati più spesso per quanto riguarda le metalizzazioni. Per il vetro sodio-calcio (vetro da finestra) α_L ≈ 9·10^-6 [°C^-1]. Vale la relazione α_V = 3α_L

Stati di equilibrio

• E: energia
• x: di stato o di interazione

Tutte le altre posizioni sono di f(???) equilibrio

Contrazione di legame

Un solido sia cristallino che vetroso, si espande all'aumentare della temperatura perché, a causa della vibrazione termica e dell'asimmetria della curva di CONDON MORSE, avviene un aumento di distanza media. Gli atomi sono in equilibrio di stato, quindi, anche a temperatura costante, si assiste a una contrazione perché avviene la CONTRAZIONE TERMICA DI LEGAME. Presso tale stato di equilibrio, ogni legame occupa una posizione anche se per secoli, ad esempio, il raggio di contrazione di legame contrazione di legame forte -> curva simmetrica e piccolo energia di legame debole -> curva asimmetrica e grande

Contrazione configurazionale

Nel liquido avendo una struttura disordinata, gli atomi modificano continuamente il loro possibile reciproco, accedendo un liquido aumenta, il VOLUME LIBERO (ad esempio non occupato da due atomi). Raffreddare un liquido porta quindi a una contrazione di legame e a una CONTRAZIONE CONFIGURAZIONALE: la prima è istantanea, mentre la seconda ha bisogno di tempo per avvenire. Le leggi tipiche della viscosità: viscosità bassa -> tempo basso viscosità alta -> tempo alto. Durante le transizioni avviene la contrazione che comunque diminuisce gradualmente il suo contributo fino ad annullarsi e a formare il vetro. Ciò fa sì che il volume effettivo del vetro dipenda dalle velocità con cui è stato raffreddato: velocità di raffreddamento alta (es. 100K/min) -> Tg alta, n basso velocità di raffreddamento bassa (es 1k/min) -> Tg bassa, n basso in alto Tg, n (indice di refrizione) non sono più quindi proprietà termodinamiche, si dice che il vetro è un materiale che ricorda la sua storia termica.

Vetri comuni

α ≈ 90 · 10^-7 C^-1, τ = 68 GPa

I vetri da finestra e da tavola sono generalmente vetri sodico-calcici con questa composizione: ~70% SiO₂, ~15% Na₂O, ~10% CaO, ~5% altri materiali (sempre presente 1-2%

La precisione di analisi chimica è di ±2%.

Il vetro, essendo colato, non deve avere una composizione chimica ben precisa, da cui resulterà una tendenza alla devetrificazione: questo è il processo di cristallizzazione di un vetro ed è da evitare il più possibile perché i cristalli dei metalli (meccanici e ottici) non voluti.

· Sono difetti meccanici: giusta da aumentato di sfiorzi.

· Sono difetti ottici: disomogeneità e immagine.

Trasparenza

2 Condizioni: i Non assorbe nel visibile.

· Non esistono interferenze tra l'aria e il diverso indice di rifrazione, possono essere causate da superficie vetrosa, bolle o processi. Possono verificarsi due eventi:

• Riflessione multipla + assorbimento: le materiale appare opaco e colorato.

La rifrazione non avviene se le tensioni del materiale si rifactively alla lunghezza d'onda della luce (0,3-0,5 μm), quindi i cristalli, se esistono, devono essere più piccoli della lunghezza d'onda delle luce. Esistono quindi materiali cristallini trasparenti.

Vetroceramiche

Le vetro viene messo in forno per un periodo di tempo a una temperatura adeguata in modo da dar luogo a un processo di cristallizzazione controllata: i cristalli, comunque, irapparenti, a base di SiO₂, Fe₂O₃ e LiO riunisce un coefficiente di dilatazione, γ per nulla. Sono occorrenze usate per questa caratteristiche in campo aerospaziale, sui piattini cottura e per il parte delle stufe a legna, a parma dagli anni '60.

Proprietà Meccaniche e Reologiche

Viscosità

È una proprietà di tutto importante che varia con continuità dal vetro fuso al vetro solido. Per determinarla, parto dalla legge di Hooke:

Sforzi di Tensione: σ = E ε = E Δ_e / e_o

Sforzi di taglio: τ =

Applicando uno sforzo di taglio a un fluido...

γ = M dv / dx = d (dy) / dt ( d (dy) / dt = d (dy) / dt ) = E_xy deformazione tangenziale

Per un fluido Newtoniano: τ = η dv / dy, η = viscosità

La viscosità è indice dell'energia necessaria, e sostituta le molecole in uno sforzo di taglio.

Difetti del vetro

Dove si trovano?

Nella zona sub-superficiale. Asportando uno strato speciale con HF o acido si riesce ad accedere al vetro velocemente. La temperatura ambiente, dopo circa 1 o 2 giorni, si autoregola comunque in caso che ci fossero delle resistenze aumentate causate con alti livelli di inquinanti (per le macchie compaiono anche il fluoroanalogo del vetro).

0,04, 5μm (IRL) 400μ. contiene un livello tale che tollera o si rimuove in un tempo non fisiologico con la superficie accettata da microstrati di connessione

Come si formano?

Si formano con paralele, curve e accumulate (es. plorie di plastica o altri ossidi). Statiche (per l'acciaio) in due lastre di vetro apposito direttamente ¹⁹) selezione (per due lastre più convergente).

Durezza Vickers (HV)

Vai puoi fare delle prove utilizzando uno strumento di diamante, a base quadrata, caricato con un peso variato, da 25 g a 1 kg, viene definito anche MICROVICKERS. In questo modo si possono determinare il vetro con gradienti di nucleogene e descrittorie della durezza alternativa come la microstructura del vetro ed è più alto rispetto alle leghe Fe-C.

_{HV = 1,854 * 10^-3 F / d² - [diagonale dell'impronta cm²].}

Esempio: F=20N d=8μm HV=5Gpa

Tempra

Tempra termica del vetro

Si ottiene riscaldando il vetro ad una temperatura tra 50-100°C sopra _Tg e operando un raffreddamento veloce e controllato che permette a _Ta (Temperatura ambiente) di ottenere uno stato residuo di compressione superficiale. I difetti, essendo in superficie _**, si troveranno in uno stato di compressione e lo stato estensivo _0a, con la fase di "ricocca" a mettere in funzione come un vetro, ancora invariato es sono le vetrae riserchiere.

L'origine di questo fenomeno si trova nel comportamento viscoelastico del vetro:

Comportamento Viscoelastico ≠ Comportamento Elastico

Tanzo, T₁ T_g

Equilibrio termico alta T

Equilibrio termico bassa T

In questa fase la viscosità stendi lo straino point: le tensioni aumentano ∊(elastica) e si diventa scienze* che fino alla presidenza da viscoelastica diventa elastico.