NANO-CERÂMICA DE VIDRO

Dependendo do tamanho dos cristalitos em relação ao comprimento de onda da luz, as vitrocerâmicas podem ser concebidas para serem transparentes (por exemplo, com cristalitos à nanoescala) ou opacas (por exemplo, com cristalitos à microescala). 

A natureza procura sempre diminuir a energia necessária para que uma reação ou um determinado acontecimento ocorra. Com isto em mente, é possível jogar com este efeito, para dificultar o início e a propagação de um determinado processo. No vidro, isso seria a formação e a propagação de fissuras. Quando uma carga é aplicada a um material, esta transmite uma grande quantidade de energia ao material, criando uma situação em que o material precisa agora de responder a esta energia. Para além do limite elástico, um material frágil como o vidro ou a cerâmica dissiparia normalmente esta energia através da formação de novas superfícies, por exemplo, através da formação de fendas.

As nanocerâmicas de vidro oferecem uma gama versátil de propriedades benéficas para melhorar a resistência à fratura do vidro. A presença física de nanocristais ultrafinos e bem dispersos funciona como um impedimento à propagação de fissuras.  Isto acontece porque sempre que uma fenda em propagação encontra uma interface nanocristalina, a fenda tem de mudar a sua direção de propagação para se deslocar em torno do nanocristal ou iniciar uma nova fenda através da própria fase cristalina. 

No entanto, quando o nanocristal é suficientemente pequeno para limitar a formação de uma fronteira de grão na sua estrutura cristalina, a probabilidade de um local de falha é ainda mais limitada. Uma tal frustração do processo natural das coisas cria uma barreira energética tão grande que a formação de um caminho para a propagação de fissuras conduz a um cenário energeticamente desfavorável e a fratura é limitada ou totalmente proibida. 

ALTA RESISTÊNCIA COM MENOS PESO

Para que a propagação de uma fenda seja significativamente limitada em torno e dentro de um cristal nanocerâmico infundido em vidro (vidro-nanocerâmica), estes fundamentos são essenciais:

• É crucial uma dispersão uniforme e densa dos cristais de nanocerâmica na matriz de vidro

• Os cristais nanocerâmicos devem ter dimensões muito inferiores a 20 nm, para minimizar ou evitar a formação de limites de grão no seu interior

• A composição dos cristais nanocerâmicos tem de conferir ao vidro uma funcionalidade versátil, por exemplo, propriedades químicas, ópticas e eléctricas que o ajudem a obter e a manter a sua durabilidade

Um dos principais desafios encontrados durante a preparação de nanocompósitos de matriz de vidro-nanocerâmica é a capacidade de obter uma dispersão homogénea dos nanocristais.  A aglomeração de aglomerados de tamanho micrométrico, em particular de nanopartículas de grandes dimensões (frequentemente > 30 nm de tamanho) utilizadas em cargas pesadas, tende a gerar efeitos adversos nas propriedades térmicas e mecânicas do vidro, uma vez que um menor número de partículas de reforço está presente noutras áreas e os agregados podem atuar como centros de defeitos, que podem atuar como iniciadores de fissuras que conduzem à falha estrutural do compósito de vidro.

O CONTROLO DO TAMANHO DAS PARTÍCULAS DE NANOCERÂMICA É IMPORTANTE

Ao reduzir o tamanho das partículas nanocerâmicas para menos de 20 nm, é possível influenciar o número de deslocações acumuladas num limite de grão e aumentar a tensão de cedência de uma nanocerâmica, ou seja, a tensão máxima que o cristal nanocerâmico tolera antes do início da deformação. 

Distribua uma quantidade significativa destas partículas numa matriz de vidro e obtém-se uma elevada densidade de locais de reforço numa matriz de vidro. Isto é fácil com partículas nano-cerâmicas ultrafinas porque o número médio destas presentes num volume unitário de material aumenta exponencialmente, à medida que o tamanho das partículas diminui. Por exemplo, uma partícula cerâmica de 1 um pode ser substituída por cerca de mil partículas nanocerâmicas de 1 nm. Isto implica que, com menos volume e massa, é possível obter uma distribuição de densidade mais elevada de partículas nanocerâmicas numa matriz de vidro, com uma dose significativamente mais baixa do que a obtida com partículas micronizadas ou mesmo maiores (> 20 nm).

VIDRO QUIMICAMENTE NANO-TEMPERADO

A fratura do vidro tem inevitavelmente a sua origem à nanoescala (ou seja, quebra de ligações). A têmpera química é um método muito eficaz para melhorar a resistência através da incorporação de uma elevada tensão de compressão nas superfícies do vidro. É possível obter uma conceção topologicamente optimizada do vidro à nanoescala, utilizando cristais nanocerâmicos de composição variável, em combinação com os benefícios da dimensão dos cristais nanocerâmicos, para permitir que a energia aplicada a uma superfície de vidro seja dissipada através da densificação localizada em torno de um indentador, em vez de através da formação de fissuras no próprio vidro.

Com uma experiência fundamental na conceção e fabrico de cristais nanocerâmicos com dimensões inferiores a 20 nm, a NANOARC está bem posicionada para ajudar a indústria vidreira a ultrapassar os limites do desempenho do vidro em termos de durabilidade química e estrutural. Estando no negócio do nano-polimorfismo como parte do nosso processo de conceção de nanomateriais, tornamos possível que os fabricantes adoptem sem problemas os nossos produtos, sem preocupações de compatibilidade química.