Structure and crystallization of multicomponent lithium silicate glasses

Abstract

A presente tese tem como objetivo adquirir uma compreensão aprofundada acerca do processo de cristalização de vidros à base de silicato de lítio com a adição de pequenas quantidades de outros componentes. Os principais componentes investigados neste estudo são os óxidos de Mn, Al, B e P. Estudaram-se os efeitos de cada um destes componentes na estrutura do vidro, na separação de fases líquido-líquido, nos processos de nucleação e crescimento de cristais, na microestrutura e no conjunto das fases cristalinas formadas. Os vitro-cerâmicos utilizados neste estudo são produzidos a partir de amostras tridimensionais de vidro fundido e vertido em moldes, ou a partir de pós de frita obtida por arrefecimento dos fundidos em água. A adição de óxidos de Mn aos vidros de silicato de lítio resulta na criação de entidades moleculares individuais de Mn. Por conseguinte, estas entidades moleculares dificultam o todo o processo de cristalização do vidro. Óxidos de Al e B são incorporados na rede de vidro como formadores de rede. Estes componentes, por conseguinte, também diminuem a tendência do vidro para a cristalização. O P2O5 também desempenha um papel de formador de rede do vidro. No entanto, ele aumenta a tendência do vidro para a cristalização. Dá-se uma ênfase especial ao estabelecimento de correlações entre a estrutura do vidro e seu comportamento na cristalização. Estes esforços levaram à introdução de um novo modelo matemático baseado na mecânica estatística para descrever a estrutura de vidro. O modelo foi desenvolvido principalmente para silicatos binários e mais tarde estendido para composições de silicatos multicomponentes.

The present thesis is aimed at gaining an in-depth understanding of the crystallization process in multicomponent lithium silicate based glasses when other components are added in small amounts. The added components investigated in this study are oxides of Mn, Al, B and P. The effects of each of these components on glass structure, liquid-liquid phase separation, crystal nucleation, crystal growth, microstructure and phase assemblage are studied. The glass ceramics used in this study are produced by both bulk glasses obtained by melt quenching as well as by powder methods from glass frits. Oxides of Mn when added to lithium silicate glasses result in creating individual Mn molecular entities. Consequently, these molecular entities hinder the overall crystallization ability of the glass. Oxides of Al and B are incorporated into glass network as network formers. These components consequently decrease the overall crystallization ability of the glass. P2O5 is also incorporated into glass network as network former. However, it increases the overall crystallization ability of the glass. Particular emphasis is given to establishing correlations between glass structure and its corresponding crystallization behaviour. These efforts led to introducing a new mathematical model based on statistical mechanics for describing the glass structure. The model was primarily developed for binary silicates and later on extended to multicomponent silicates.