Made available in DSpace on 2017-07-21T19:25:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ivan Mathias.pdf: 11996423 bytes, checksum: f3bdcfad9b494e72052f6a36c4a749d4 (MD5) Previous issue date: 2015-04-01 / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / In this work two vitreous systems are studied, the lithium disilicate (LS2) and sodiumcalcium-silica with stoichiometry 2Na2O.CaO.3SiO2 (2N1C3S) and the glassceramics formed from these by heat treatment. Several properties were determined for the two systems as a function of crystallized volume fraction, from glass to fully crystallization (100%), highlighting the fracture toughness and the brittle-ductile transition, with the last two determined only for the LS2 glass-ceramic. Hardness and elastic modulus were obtained for the two glass-ceramics and their values increase with the crystallized volume fraction in the glass ceramic, with the exception of hardness of 2N1C3S, which has its maximum for the crystallized volume fraction of 9%. Thermal expansion coefficients were determined and are larger in the LS2 glassy phase and in the 2N1C3S crystalline phase, thereby generating mean residual stresses obtained by Selsing model of -76 MPa for the LS2 (compression in the crystal) and 232 MPa for the 2N1C3S (traction in the crystal). The indentation fracture toughness was also determined for the two systems using the Anstis' and Niihara's models. The results show an increase of indentation fracture toughness with the crystalline volume fraction for LS2 glass-ceramic and also a dependence with indentation load. As for the 2N1C3S glass-ceramic, indentation fracture toughness are reduced at intermediate crystalline fractions, which is attributed to residual stresses arising from the difference between the thermal expansion mismatch between the glass and the crystalline phases. LS2 glass-ceramic flexural strength increases with the crystalline fraction, from 103 ± 3 MPa for the glass to 260 ± 20 MPa for the fully crystallized sample. Without the removal of the crystallization surface layer, this value rises to 290 ± 20 MPa. The increase in flexural strength in the first 20% of the crystallized fraction is more pronounced. As the size of the precipitates was kept constant, this increase can be related only to the increase in the crystallized fraction. The residual stress in the matrix, the critical radius of spontaneous cracking of the crystals and the crack mean free path between the precipitates were considered in the analysis of the increase in flexural strength. The existence of pores in the samples was a factor that limited its resistance. The fracture toughness (KDTIC) a function of the crystallized fraction was determined for LS2 glassceramics using the double torsion technique. It was found that KDTIC increases with the crystallized fraction, from 0.75 MPa.m1/2 for the glass to about 3.50 ± 0.05 MPa.m1/2 for the fully crystallized sample, a significant increase of approximately five times. Several factors were analyzed as possible causes of the increase in KDTIC. The experimental data are better adjusted with a recently proposed model with one adjustable parameter that relates the ratio of the crystal and glass areas to the crystallized volume fraction. The brittle-ductile transition (BDT) of LS2 glass and glass-ceramic samples (39% crystallized volume fraction) were determined for three different strain rates. BDT temperatures were determined for each strain rate.Activation energies of BDT for the glass and glass-ceramic were obtained, which were 5.2 ± 0.2 eV and 7 ± 2 eV. It was found that BDT activation energy in glass resembles the activation energy of the LS2 viscous flow, thus concluding the BDT in LS2 is governed by viscous flow of the glass matrix. Finally, the fact of the activation energy of the glass ceramic be larger than the glass was attributed to the fact that the viscosity of the vitreous matrix is "hindered" by the presence of crystalline precipitates. A viscosity model of a rigid spheres composite was used as an analogy to explain this observation. / No presente trabalho são estudados dois sistemas vítreos, o dissilicato de lítio (LS2) e o soda-cal-sílica de estequiometria 2Na2O.CaO.3SiO2 (2N1C3S), bem como os vitrocerâmicos formados a partir destes através de tratamentos térmicos. Diversas propriedades foram determinadas para os dois sistemas em função da fração cristalizada, desde vidro até os 100%, com destaque para a tenacidade à fratura e a transição frágil-dúctil, sendo estas últimas determinadas somente para o LS2. Dureza e módulo de elasticidade foram obtidos para os dois sistemas e seus valores aumentam com a fração volumétrica cristalizada no vitrocerâmico, com exceção da dureza no 2N1C3S, que tem seu máximo para a fração cristalizada de 9%. Os coeficientes de expansão térmica foram determinados e são maiores na fase vítrea do LS2 e na fase cristalina do 2N1C3S, gerando assim tensões residuais médias obtidas pelo modelo de Selsing de -76 MPa para o LS2 (compressiva no cristal) e 232 MPa para o 2N1C3S (trativa no cristal). A tenacidade à fratura por indentação (KC) foi determinada também para os dois sistemas, sendo utilizados os modelos de Anstis e Niihara. Os resultados mostram um aumento com a fração cristalina para o LS2 e também uma dependência com a carga utilizada no teste. Já para o 2N1C3S, os valores de KC sofrem uma redução em frações cristalinas intermediárias, comportamento atribuído às tensões residuais oriundas da diferença entre os coeficientes de expansão térmica e anisotropias elásticas do material. Os ensaios de resistência à flexão mostraram que para o LS2 a resistência aumenta com a fração cristalina, passando de 103 ± 3 MPa para o vidro para 260 ± 20 MPa para a amostra totalmente cristalizada. Se não removermos a camada de cristalização superficial, este valor sobe para 290 ± 20 MPa. O aumento da resistência à flexão nos primeiros 20% da fração cristalizada é mais pronunciado. Como o tamanho dos precipitados foi mantido constante, esse aumento pode ser relacionado apenas ao aumento na fração cristalizada. A tensão residual na matriz, o raio crítico dos cristais para trincamento espontâneo e o livre caminho médio da trinca entre os precipitados foram considerados na análise do aumento da resistência à flexão. A existência de poros nas amostras foi um fator que limitou a sua resistência. Caso amostras sem poros fossem feitas, um aumento em torno de 20 a 30% da resistência seria obtido. A tenacidade à fratura (KDTIC) foi determinada para o LS2 pela técnica de torção dupla em função da fração cristalizada. Foi verificado que KDTIC aumenta com a fração cristalizada, passando de 0,75 MPa.m1/2 para o vidro para cerca de 3,50 ±0,05 MPa.m1/2 para a amostra totalmente cristalizada, um aumento significativo de aproximadamente cinco vezes. Diversos fatores foram apontados como possíveis causas do aumento da tenacidade e foi verificado que os fatores considerados de forma isolada não são suficientes para descrever completamente o aumento na tenacidade. Os dados experimentais são melhor ajustados com um modelo de um parâmetro de ajuste recentemente proposto que relaciona a razão entre as áreas dos cristais e do vidro na superfície de fratura com a fração cristalizada. A transição frágil-dúctil (TFD) de amostras vítreas e vitrocerâmica (39% fração cristalizada) de LS2 foram determinadas para três taxas de deformação. Foram determinadas as temperaturas de TFD para cada uma das taxas e foi verificada uma dependência com a taxa de deformação. Foram calculadas as energias de ativação para a TFD no vidro e vitrocerâmico, sendo elas de 5,2 ± 0,2 eV e 7 ± 2 eV. Verificou-se que a energia de ativação da TFD no vidro se assemelha a energia de ativação do escoamento viscoso do LS2, concluindo assim que a TFD no LS2 é governada pelo escoamento viscoso da matriz vítrea. Por fim, o fato da energia de ativação do vitrocerâmico ser maior que do vidro foi atribuída ao fato de que a viscosidade da matriz vítrea seria "dificultada" pela presença dos precipitados cristalinos. Um modelo de viscosidade de um compósito com esferas rígidas foi utilizado como analogia para explicar essa observação.

Le collage par adhérence moléculaire est un collage basé sur la mise en contact de deux surfaces sans l'utilisation de colle ou matériaux additionnels. Ce procédé de collage est utilisé dans de nombreuses applications, notamment dans les domaines de l'optique terrestre et spatiale. Bien qu'un prototype ait déjà passé avec succès l'environnement spatial - où les contraintes d'utilisations sont différentes de celles rencontrées sur Terre - la spatialisation de cette technologie nécessite une caractérisation plus fine du procédé ainsi qu'une amélioration de la tenue mécanique des interfaces adhérées afin de valider les normes de l'Agence spatiale Européenne. Pour répondre à cette problématique de spatialisation de la technologie, des essais mécaniques ainsi que des analyses chimiques ont été réalisés dans le but d'étudier l'influence de certains paramètres du procédé ) sur la tenue mécanique et l'énergie de collage. Ces essais ont également été réalisés afin de comparer les deux matériaux étudiés : le verre de silice et le Zérodur vis-à-vis de l'adhésion. A l'issue de ces essais, les paramètres à appliquer permettant de doubler la tenue mécanique des interfaces adhérées ont été déterminés. Parallèlement, une loi phénoménologique reliant l'énergie de collage aux précédents paramètres du procédé a été développée ainsi qu'un modèle macroscopique visant à décrire l'intensité d'adhésion. Ces deux modèles une fois couplés permettent de modéliser le comportement normal de l'interface en fonction des paramètres du procédé. Enfin, ces deux lois sont implémentées dans un code éléments finis afin de simuler la propagation de la fissure lors de l'essai de clivage au coin. / Direct bonding consists in joining two surfaces without the use of any adhesive or additional material. This process is used in several applications, particularly in terrestrial and spatial optics. Although a prototype passed with success spatial environment - where constraints involved are very different from those encountered on Earth - this technology requires a more detailed characterization and an improvement of the mechanical strength of bonded interfaces in order to validate the European Space Agency standards. To address this issue, mechanical tests (double shear tests, cleavage tests and wedge tests) and chemical analysis (wetting tests and XPS spectroscopy) were performed in order to study the influence of some process parameters (roughness, relative air humidity during room temperature bonding, the annealing temperature and time) on the mechanical strength and the bonding energy. These tests compared the two materials used: fused silica glass and Zerodur glass. As a result of these tests, optimal parameters doubling the mechanical strength were also obtained. In the same time, a phenomenological law relating the bonding energy to the previous parameters is developed as well as a macroscopic model to describe the adhesion intensity. Both models when coupled describe the normal behavior of the bonded interface depending on the process parameters. Then, the both laws are implemented in a finite elements model in order to simulate the crack propagation during the wedge test.

Considering increasing manufacture of metallic materials made in foundries increases also production of waste foundry sands. Foundry sands that remain after moulding and can not be reused in the prouction process anymore are usually not recycled nowadays and in the better cases they are clasified as a fill materials. These secondary raw materials are produced in relatively big amounts. Thats why is apropriate to search for their effective reuse. One of the possibilities is using of this materials in buliding industry. Thanks to their constitution and properties we can consider the possibilties of an alkaline activation, additional source to alkalit activated systems or like part of refractories.