Efeitos de um campo elétrico na viscosidade e no mecanismo de riscamento do vidro soda-cal-sílica

• Ano de defesa: 2018
• Autor(a) principal: Ingraci Neto, Rubens Roberto
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Estadual Paulista (Unesp)
• Palavras-chave em Português: Vidro soda-cal-sílica; Campo elétrico; Viscosidade; Ensaio de riscamento; Transição dúctil-frágil; Soda-lime-silica glass; Electric field; Viscosity; Scratching test; Ductile to brittle transition
• Link de acesso: http://hdl.handle.net/11449/152923

Nesta tese se investigou a redução da viscosidade do vidro soda-cal-sílica induzida pela ação de um campo elétrico e o aproveitamento desse efeito na inibição da nucleação de trincas durante o riscamento, que introduz danos similares aqueles característicos da usinagem por abrasão; assim, se introduziu um novo caminho para usinagem em modo dúctil de materiais frágeis. Os danos que são inseridos nos materiais frágeis como vidros e cerâmicas avançadas pelas etapas tradicionais de usinagem prejudicam a aplicação destes em componentes de alta confiabilidade com exatidão dimensional e geométrica. Uma vez que o regime plástico destes materiais pode ser acentuado por um campo elétrico, estudou-se a hipótese de que um método de usinagem assistido por campo elétrico pode vencer as fronteiras dos processos convencionais. Examinaram-se as relações entre o campo elétrico e a redução na viscosidade do vidro por meio de ensaios de compressão. Amostras cilíndricas aquecidas a uma taxa de 10 ºC/min e comprimidas com uma tensão inicial de 3 MPa revelaram que a temperatura de amolecimento decresceu de maneira exponencial com o aumento da intensidade do campo elétrico aplicado, caindo de 543 ºC para 418 ºC quando sob um campo elétrico de 1 000 V/cm. Os ensaios de compressão isotérmicos com a temperatura do forno a 400 ºC, 500 ºC e 550 ºC e campo elétrico de 1 000 V/cm, evidenciaram que após o início da condução da corrente elétrica pelo vidro sua viscosidade diminuiu em até 1 000 vezes e se estabilizou, tal como a potência elétrica que era dissipada. Isso levou a conjectura de um equilíbrio térmico como consequência da cooperação entre o aquecimento Joule e a relaxação elétrica do vidro sob a ação do campo elétrico, o que permitiu o movimento dos íons de sódio e potássio e também dos pares de elétrons e buracos, resultando na relaxação estrutural e redução da viscosidade. Não obstante, este comportamento foi reversível nos testes realizados com campo elétrico pulsado, o que é essencial para um processo de usinagem, pois permite que o material seja deformado ou removido facilmente, mas, uma vez cessada a aplicação do campo elétrico, o produto final retorna às propriedades mecânicas iniciais desejadas. De fato, os ensaios de riscamento, que guardam analogias com os processos de usinagem, demonstraram que a aplicação de um campo elétrico de 1 200 V/cm inibiu a nucleação de trincas em anel e radiais ao longo dos riscos produzidos com carregamentos verticais de 14 N, 24 N e 64 N por um riscador de diamante cônico de raio de ponta 0,5 mm no vidro aquecido a 484 ºC. A menor densidade espacial de trincas, ou seja, o maior espaçamento entre elas, condisse com o previsto para redução da viscosidade. Trincas mais afastadas representam volumes maiores da estrutura do vidro que se deformam plasticamente, antes que as tensões mecânicas nas bandas de cisalhamento aumentem e resultem na ruptura das ligações do material. Estes resultados corroboram a hipótese que o amolecimento induzido por campo elétrico em materiais frágeis pode possibilitar o emprego desses em novos produtos de alta confiabilidade.