Efeitos da cristalização superficial nas propriedades mecânicas do vidro de isoladores de alta-tensão

Abstract

Resumo: Vitro-cerâmicos geralmente têm as propriedades mecânicas superficiais melhores que as dos vidros respectivos. Isoladores para linhas de transmissão de energia elétrica em altatensão apresentam falhas decorrentes do estado de suas superfícies. Com o objetivo de melhorar as propriedades mecânicas superficiais de dispositivos isoladores de alta-tensão feitos de vidro (Si0 2 -Al2 0 3 -Nci2 0 -K2 0 -Ca0 -Mg0 -Ba0 -Fe2 0 $), estudamos a possibilidade de transformar este vidro em um material vitro-cerâmico. O estudo compreendeu análises térmicas, microscopias: óptica, de elétrons por varredura e de força atômica, avaliação da cinética de cristalização, difratometrias de raios-x, espectroscopias de energia dispersiva e micro-Raman além da determinação das propriedades mecânicas da região da superfície. A cristalização superficial foi promovida pelo aquecimento controlado após polimento mecânico realizado com diferentes agentes: óxido de cério, diamante, alumina, e lixa de SiC. A cinética de cristalização superficial foi avaliada com tratamentos térmicos nas temperaturas de 650°C e 670°C por intervalos de tempo de: 24, 48, 72 e 96 horas. Na investigação da cinética de cristalização pudemos concluir que o estado da superfície é um parâmetro que influencia a cristalização. Os agentes usados no polimento agiram de maneira diferente na cristalização. A fração cristalina superficial foi maior, em média, para as amostras polidas com óxido de cério seguido pelo polimento com diamante e alumina, nesta ordem. As taxas de nucleação obtidas assumiram valores da ordem de 104m'2h'1 até 107m'2h''. O polimento com alumina foi o que mais favoreceu o crescimento dos cristais e o com lixa SiC granulometria 1200 o que mais favoreceu a nucleação. As microscopias óptica e de elétrons por varredura comprovaram a existência de várias morfologias cristalinas e a cristalização superficial. Espectroscopias de energia dispersiva comprovaram que" o agente de polimento foi detectado na superfície e serviu, possivelmente, como sítio de nucleação e que alguns cristais tinham a mesma composição do vidro base. Por difratometrias de raios-x identificamos a existência da estrutura S1O2 trigonal com um oxigênio deslocado. Espectroscopias Micro-Raman de alguns cristais forneceram dois espectros distintos que comprovaram que grande parte dos cristais é basicamente formado por monômeros S1O4 esticados e por estruturas AI2O3, este resultado ficou de acordo com as análises químicas dos cristais realizadas por espectroscopias de energia dispersiva e com as difratometrias de raios-x. Ocorreu cristalização superficial somente quando as amostras foram polidas. As frações cristalinas obtidas foram de, no máximo, 5%, e os resultados das análises térmicas mostraram que 0 material em questão não sofre cristalização a não ser, possivelmente, em temperaturas muito elevadas capazes de amolecer o vidro consideravelmente. Estes dois fatos, baixas frações cristalinas e altas temperaturas de cristalização, mostraram que é inviável a produção de um material vitrocerâmico a partir deste vidro, pelo menos com as técnicas utilizadas neste trabalho.

Abstract: Glass-ceramics usually have better superficial mechanical properties than those one of the respective glasses. Insulators for high voltage lines fail due flaws originated at the surfaces. The objective of this work was to improve the superficial mechanical properties of insulating devices of high voltage made of glass (Si0 2 -Ah0 3 -Na2 0 -K2 0 -Ca0 -Mg0 -Ba0 - Fe2C>3) by surface crystallization transforming this glass into a glass-ceramic material. The study comprehend thermal analyses, optical microscopy, scanning electron microscopy and atomic force microscopy, evaluation of the crystallization kinetics, X-rays diffraction measurements, energy dispersive spectroscopy and Micro-Raman spectroscopy and obtaining heating after the mechanical polishing made with different agents: Ce2O, diamond, alumina, and SiC sandpaper with granulation 6,8 (am. The kinetics of superficial crystallization was determined from thermal treatments at temperatures of 650°C and 670°C after 24, 48, 72 and 96 hours. The crystallization kinetics indicated that the state of the surface is a parameter that influences in the crystallization. The agent used in the polishing acted in a different way in the crystallization. Samples polished with Ce2O have the higher superficial crystalline fraction followed by samples polished with diamond and alumina, in this order. The nucleation taxes have values from 104m'2h‘‘ up to 107m'2h‘1. The polishing with alumina favored the growth of the crystals and the polishing with sandpaper 1200 favored the nucleation. The optical and electronic scanning microscopies showed the existence of several crystalline morphologies and the superficial crystallization. Energy dispersive spectroscopy indicated, at least for the case of the polishing with Ce2O that the polishing agent remaining at the surface and it served, possibly, as nucleation sites. From X-ray diffractometry were identified the existence of the trigonal structure SiO2 with moved oxygen. Micro-Raman Spectroscopy of some crystals result into two different spectra that indicated the crystals were formed by stretched S1O4 structures and by AI2O3 structures. These results are in agreement with the chemical analyses of the crystals from EDX spectroscopy. Superficial crystallization only happened after sample polishing. Crystalline fractions were of at the most 5%. Thermal analyses showed that the material in subject doesn't suffer high level of crystallization except, maybe at higher temperatures, capable to soften the glass considerably. These two facts, low crystalline fractions and high crystallization temperatures, showed that production of a glass-ceramic material starting from this glass is not feasible, at least with the techniques used in this work.