Nucleação e crescimento de cristais, difusão e relaxação estrutural em vidros 2Na2O.CaO.3SiO2 e 5BaO.8SiO2
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Data de Publicação: | 2021 |
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Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/14528 |
Resumo: | Despite intensive research regarding glass crystallization, there are still flaws in the theories and especially in their application. Aiming to verify the applicability of the classical nucleation theory (CNT) and the relationship between the diffusional process related to crystallization and viscous flow, two silicate glasses, 2Na2O∙CaO∙3SiO2 and 5BaO∙8SiO2 were used. Due to the numerous difficulties in the direct measurement of the “structural units” mobility in the crystal-liquid interface, the effective diffusivity for nucleation (DI) has been estimated using three parameters – nucleation time-lag (Dτ), viscosity (Dη) and crystal growth velocity (DU). Additionally, the possible effect of structural relaxation in the nucleation kinetics at low temperatures was evaluated, which is often neglected in the application of the CNT. It was observed that Dτ and Dη yields similar values of DI, leading to similar conclusions about the CNT consistence. Only nucleation data of 2Na2O∙CaO∙3SiO2 glass at very low temperatures showed some evidence of a failure of the CNT, which was assigned to the experimental limitation of nucleation time for this composition. Generally, the temperature dependence of Ist was best described by assuming DI = Dτ or DI = Dη, when compared to DI = DU. However, the inclusion of the effect of structural relaxation suggested a progressive increase in the nucleation rate until reaching the definitive value corresponding to the fully relaxed glass, which agrees with the theoretical predictions considering DI = DU. Therefore, it was shown that the alleged “CNT breakdown” is related to the long time required for the actual steady-state be reached at the lowest temperatures, which is a result of transient nucleation and structural relaxation. We also verified that with increasing nucleation time, the temperature of maximum Ist shifts to lower values. |
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Due to the numerous difficulties in the direct measurement of the “structural units” mobility in the crystal-liquid interface, the effective diffusivity for nucleation (DI) has been estimated using three parameters – nucleation time-lag (Dτ), viscosity (Dη) and crystal growth velocity (DU). Additionally, the possible effect of structural relaxation in the nucleation kinetics at low temperatures was evaluated, which is often neglected in the application of the CNT. It was observed that Dτ and Dη yields similar values of DI, leading to similar conclusions about the CNT consistence. Only nucleation data of 2Na2O∙CaO∙3SiO2 glass at very low temperatures showed some evidence of a failure of the CNT, which was assigned to the experimental limitation of nucleation time for this composition. Generally, the temperature dependence of Ist was best described by assuming DI = Dτ or DI = Dη, when compared to DI = DU. However, the inclusion of the effect of structural relaxation suggested a progressive increase in the nucleation rate until reaching the definitive value corresponding to the fully relaxed glass, which agrees with the theoretical predictions considering DI = DU. Therefore, it was shown that the alleged “CNT breakdown” is related to the long time required for the actual steady-state be reached at the lowest temperatures, which is a result of transient nucleation and structural relaxation. We also verified that with increasing nucleation time, the temperature of maximum Ist shifts to lower values.Apesar de pesquisas sobre a cristalização de vidros serem extensivamente reportadas na literatura, ainda há falhas nas teorias e em sua aplicação. Visando verificar a aplicabilidade da Teoria Clássica de Nucleação (CNT) e a correlação entre os processos difusionais relacionados à cristalização e escoamento viscoso, foram utilizados dois vidros silicatos estequiométricos, o 2Na2O∙CaO∙3SiO2 e o 5BaO∙8SiO2. Devido à dificuldade de medida direta da mobilidade das “unidades estruturais” na interface cristal-líquido, a difusividade efetiva para nucleação (DI) foi estimada por três parâmetros - tempo de indução intrínseco para nucleação (Dτ), viscosidade (Dη) e velocidade de crescimento de cristais (DU). Além disso, foi avaliado o possível efeito da relaxação estrutural na cinética de nucleação em baixas temperaturas, o qual é frequentemente desconsiderado na aplicação da CNT. Foi observado que Dτ e Dη tem valores próximos, fornecendo conclusões semelhantes com relação à consistência da CNT. Apenas os dados de nucleação do vidro 2Na2O∙CaO∙3SiO2 nas temperaturas mais baixas apresentaram evidências da falha da CNT, o que foi atribuído à limitação experimental do tempo de nucleação para esse sistema. Em geral, a dependência com a temperatura de Ist foi melhor descrita pela CNT considerando DI = Dτ ou DI = Dη, em comparação a DI = DU. Contudo, a inclusão do efeito da relaxação indicou que há um aumento progressivo na taxa de nucleação, até ser atingido o valor correspondente ao vidro completamente relaxado, o qual está de acordo com as previsões teóricas assumindo DI = DU. Assim, foi demonstrado que o suposto “breakdown da CNT” está associado ao longo tempo para ser atingido o estado estacionário real nas temperaturas mais baixas, o qual depende da combinação da nucleação transiente e da relaxação estrutural. Ainda foi verificado que com o aumento do tempo de nucleação a temperatura de máxima Ist se desloca para menores valores.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)CNPq: 141816/2018-0porUniversidade Federal de São CarlosCâmpus São CarlosPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais - PPGCEMUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessVidros silicatosNucleação de cristaisCrescimento de cristaisDifusãoRelaxaçãoSilicate glassesCrystal nucleationCrystal growthDiffusionRelaxationENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICA::MATERIAIS NAO METALICOSNucleação e crescimento de cristais, difusão e relaxação estrutural em vidros 2Na2O.CaO.3SiO2 e 5BaO.8SiO2Crystal nucleation, growh, diffusion, and structural relaxation in 2Na2O.CaO.3SiO2 and 5BaO.8SiO2 glassesinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis6006cfabc63-f3c2-48d1-ba85-c4d9edda486breponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARORIGINALLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdfLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdfTese versão finalapplication/pdf17222526https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/1/Lorena%20Raphael%20Rodrigues%20-%20Tese.pdfd8a4e359a6edf48f91d73f1bb3f444abMD51BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdfBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdfcarta comprovanteapplication/pdf491174https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/2/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdffacf91ce2e042c6d09428af2f8eabe02MD52CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8811https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/3/license_rdfe39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34MD53TEXTLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdf.txtLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdf.txtExtracted texttext/plain331989https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/4/Lorena%20Raphael%20Rodrigues%20-%20Tese.pdf.txta9236c0158bf82bbc67845f5f8150260MD54BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.txtBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.txtExtracted texttext/plain1https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/6/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdf.txt68b329da9893e34099c7d8ad5cb9c940MD56THUMBNAILLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdf.jpgLorena Raphael Rodrigues - Tese.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg6482https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/5/Lorena%20Raphael%20Rodrigues%20-%20Tese.pdf.jpg8a3e78c7b8729f87070ebbd06404877fMD55BCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.jpgBCO carta comprovante autoarquivamento - P.pdf.jpgIM Thumbnailimage/jpeg12928https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/14528/7/BCO%20carta%20comprovante%20autoarquivamento%20-%20P.pdf.jpgcb0c99f4e56e09ef4f1ea34aff1e3751MD57ufscar/145282023-09-18 18:32:12.518oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/14528Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222023-09-18T18:32:12Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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