Influência dos parâmetros de troca iônica no comportamento mecânico de vitrocerâmicas sinterizadas dos sistemas LZS e LZSA

Abstract

Durante o processamento e utilização de produtos de vidro e vitrocerâmica, são gerados defeitos que costumam comprometer a resistência mecânica dos mesmos. Um dos métodos utilizados para promover o aumento na resistência mecânica de materiais de vidro e vitrocerâmicos é a troca iônica, na qual um íon (geralmente um alcalino com raio iônico maior) originado de uma fonte externa (usualmente um sal) troca de posição com outro íon alcalino (com raio iônico menor) presente nos materiais. Nesse caso, a troca iônica produz tensões compressivas residuais na superfície dos materiais vítreos ou vitrocerâmicos termoquimicamente tratados, o que pode promover aumento da resistência mecânica. Neste contexto, para este trabalho de pesquisa, composições de vitrocerâmicas sinterizadas dos sistemas LZS (9,56Li2O.22,36ZrO2.68,08SiO2) e LZSA (11,00Li2O.12,60ZrO2.7,10Al2O3.68,60SiO2) foram processadas e caracterizadas. Subsequentemente, as vitrocerâmicas foram submetidas à troca iônica pelo método do banho de sal e método da pasta de sal, utilizando os nitratos de sódio e potássio (NaNO3 e KNO3). Para o método da pasta de sal, as temperaturas aplicadas foram de 100 oC abaixo das temperaturas de transição vítrea dos precursores vitrocerâmicos LZS e LZSA, no intervalo de tempo de patamar entre 60 e 600 min. No método do banho de sal, as temperaturas foram inferiores a 100 oC abaixo das temperaturas de transição vítrea, devido às limitações dos fornos, e os tempos de patamares foram de 15 min a 3 h. O primeiro processo de troca iônica foi o método do banho de sal com nitrato de sódio, resultando em 0,2% (em massa) a 3,1% (em massa) do teor médio de sódio, profundidade de camadas de troca iônica entre 1800 e 2500 µm e coeficientes de difusão na ordem de 10-5 cm²/s. O segundo processo aplicado foi o método do banho de sal com nitrato de potássio, e as caracterizações indicaram teores de potássio entre 0,2% (em massa) e 1,5% (em massa), camadas de troca iônica com espessuras (profundidades) entre 1100 e 2500 µm e coeficientes de difusão também na ordem de 10-5 cm²/s, mas menores do que os verificados com nitrato de sódio (1 a 75 x 10-5 cm²/s para a troca com o sódio e entre 0,1 e 11 x 10-5 cm²/s com a troca com o potássio). O terceiro e último processo de troca iônica foi o método da pasta de sal com nitrato de sódio, que resultou em teores de sódio entre 0,3% (em massa) e 2,0% (em massa), camadas de troca iônica com espessuras entre 600 e 2000 µm e coeficientes de difusão na ordem de 10-8 cm²/s. Apesar da pequena quantidade de sódio ou potássio obtida após diferentes processos termoquímicos, a camada de troca iônica verificada nas vitrocerâmicas sinterizadas LZS (para os três métodos estudados) resultou em tensões superficiais adequadas com aumentos de resistência mecânica à flexão de 8% a 20%. Por outro lado, o teor de sódio ou potássio apresentado nas vitrocerâmicas sinterizadas LZSA após as trocas iônicas com diferentes métodos foi distribuído em camadas de troca iônica com profundidades excessivas, o que resultou em diminuição de 26% a 40% da resistência mecânica. Para ambos sistemas vitrocerâmicos estudados, foi verificado aumento no valor do módulo de Weibull em todas as condições de troca iônica estudadas. As vitrocerâmicas LZS e LZSA obtidas após os diversos processos termoquímicos estudados apresentam potencial para aplicações que demandam esforços mecânicos e térmicos, como por exemplo, ferramentas de corte, materiais biológicos e utensílios de laboratório.

Abstract: During processing and use of finished glass and glass-ceramic products, defects are generated and they usually compromise their mechanical strength. One of the used methods to promote an increase in mechanical strength of glass and glass-ceramics materials is the ion exchange, in which an ion (usually an alkaline with a larger ionic ratio) from an external source (usually a salt) replaces position with another alkaline ion (with a smaller ionic ratio) contained in the materials. In this case, the ion substitution produce residual compressive stress on the surface of the chemically heat-treated glass-ceramic materials, which can promotes an increasing in mechanical strength. In this context, for this work, LZS (9.56Li2O.22.36ZrO2.68.08SiO2) and LZSA (11.00Li2O.12.60ZrO2.7.10Al2O3.68.60SiO2) sintered glass-ceramic compositions were processed and subjected to ion exchange by salt bath method and salt paste method using sodium and potassium nitrates (NaNO3 and KNO3). For salt paste method, the temperatures applied were 100oC below to the glass transition temperatures of the LZS and LZSA parent glasses, in the 60? 600 min holding time range. In the salt bath method, temperatures were less than 100oC below to the glass transition temperatures, due to the furnace limitations, and the holding times were from 15 min to 3 h. The first ion exchange process was the salt bath method with sodium nitrate, resulting in 0.2% (in mass) to 3.1% (in mass) sodium contents, exchange layers between 1800 and 2500 µm and diffusion coefficients in order of 10-5 cm²/s. The second process applied was the salt bath method with potassium nitrate, and the characterizations indicated potassium contents between 0.2 %(in mass) and 1.5% (in mass), exchange layers from 1100 to 2500 µm and diffusion coefficients also in order of 10-5 cm²/s, but smaller than those verified with sodium nitrate (1 to 75 x 10-5 cm²/s for ion exchange with sodium nitrate and between 0.1 and 11 x 10-5 cm²/s for ion exchange with potassium nitrate). The third and last ion exchange process was the salt paste method using sodium nitrate, which resulted in sodium contents between 0.3% (in mass) and 2.0% (in mass), exchange layers from 600 to 2000 µm and diffusion coefficients in order of 10-8 cm²/s. Despite the small amount of sodium or potassium obtained after different thermal-chemical processes, the exchange layer verified in the sintered LZS glass-ceramics (for three studied methods) resulted in adequate superficial stresses with mechanical strength increase from 8% to 20%. On the other hand, the sodium or potassium content presented in LZSA sintered glass-ceramics after ion exchange with different methods was distributed in an excessive exchange layer, which resulted in decrease from 26% to 40% on mechanical strength. For both glass-ceramics systems studied, an increase of Weibull?s modulus was verified in all ion exchanges studied conditions. LZS and LZSA glass-ceramics obtained after the different thermochemical studied processes presented characteristics to applications that demands mechanical and thermal efforts, like cutting tools, biological materials and laboratory utilities.