M1 Formação de vidro: cinética de resfriamento

Tópico

Quando este vidro fundido esfria a partir de seu estado líquido, a taxa de resfriamento na qual o vidro fundido perde temperatura compete constantemente com a cinética de nucleação e crescimento cristalino. Dado tempo suficiente, esses processos transformariam o vidro fundido em um sólido cristalino em vez deste vidro. Uma taxa de resfriamento mais alta significa que o vidro fundido tem menos tempo, em cada intervalo de temperatura, para que essa cinética de nucleação e crescimento cristalino produza cristais.

Existe, de fato, uma taxa de resfriamento crítica, conforme descrito pelo critério de Uhlmann, acima da qual essa cinética de nucleação e crescimento cristalino não consegue produzir uma fração cristalizada detectável antes que o vidro fundido se torne muito frio e viscoso para continuar cristalizando. Se a taxa de resfriamento do vidro fundido exceder essa taxa crítica, a cristalização é impedida e o vidro fundido, em vez de se solidificar em um sólido cristalino, congela na estrutura desordenada deste vidro. O fato de a taxa de resfriamento não atingir essa taxa crítica, por outro lado, permite que a cristalização ocorra antes que a fusão congele.

Essa cinética de nucleação e crescimento cristalino, que compete com a taxa de resfriamento, é determinada a cada instante pela taxa de nucleação do fundido: quanto mais núcleos de cristalização surgirem por unidade de tempo e volume, mais rápido a fração cristalizada do fundido crescerá, de acordo com a equação de Avrami, para um dado tempo de residência. Uma taxa de nucleação mais alta, para a mesma taxa de resfriamento, torna mais difícil para essa taxa de resfriamento exceder a taxa crítica necessária para impedir a cristalização.

Essa taxa de nucleação, para a mesma taxa de resfriamento, torna mais difícil para essa taxa de resfriamento exceder a taxa crítica necessária para impedir a cristalização. Portanto, este modelo, com seu foco na competição entre a taxa de resfriamento e a cinética de nucleação e crescimento cristalino, define a vitrificação precisamente como essa cristalização impedida: o fundido se torna esse vidro não por causa de qualquer processo adicional que o transforme, mas porque a taxa de resfriamento impede que a taxa de nucleação e a fração cristalizada, ambas regidas pela equação de Avrami, produzam cristais antes que o fundido se solidifique. O fato de essa mesma taxa de nucleação e fração cristalizada, regidas por Avrami, ocorrerem quando esse vidro já formado é reaquecido ou permanece em serviço prolongado em alta temperatura leva outro modelo nesse conjunto a reutilizar essas mesmas equações como uma patologia — a desvitrificação — em vez de como esse processo controlado de formação de vidro.

ID:4523