Assessments of viscous sintering models and determination of crystal growth rate and crystallized fraction in glasses

Glass-ceramics are materials obtained from the controlled crystallization of glass. The properties of these materials are controlled by the nature and proportions of the crystalline phases and residual glass present. Sintering with concurrent crystallization of glass powders is one of the routes for the development of these materials. One of the few models that describe sinter-crystallization is the Clusters model, which allows one to calculate the density of sintered compacts by knowing composition-dependent properties, such as viscosity (η), crystal growth rate (U) and surface tension (γ), and process-dependent parameters, such as particle size distribution and the density of surface nucleation sites (NS). The determination of input parameters for the model can be labor-intensive, which may difficult its use. In this work a critical assessment of the Clusters model and its bases was performed by checking its predictions against results of sintering of spherical and jagged diopside glass particles. Frenkel s model was capable of describing the initial stages of sintering only qualitatively, requiring an adjusting factor of ~1/3. With this correction, the Modified Clusters model described the powder densification in different conditions well. The effect of crystallization was slightly underestimated by the model, which could be explained by a mechanism of Ns increase in the pores surfaces as observed in a previous work. It has been demonstrated that the jagged particles increasingly round during the heat treatment causing the densification rate to gradually approximate that of spherical particles. Additionally, a model for the determination of crystallized fraction from the surface of particles was derived and can be applied for sintered particles or crystallization DSC studies. A new technique capable of the determination of the crystal growth rate in a temperature range using a single DSC run was developed and successfully tested for three different glasses.Universidade Federal de Sao CarlosVitrocerâmicas são materiais produzidos a partir da cristalização controlada de vidros. As propriedades destes materiais são controladas pelas naturezas e proporções das fases cristalinas e da fase vítrea residual presentes. A sinterização com cristalização concorrente é uma das rotas de obtenção destes materiais. Um dos modelos que descrevem o processo de sinter-cristalização é o modelo de Clusters, que permite o cálculo da densidade de compactos sinterizados a partir de parâmetros relacionados à composição do vidro, como viscosidade (η), taxa de crescimento de cristais (U) e tensão superficial (γ), além de características das partículas, como distribuição granulométrica, formato, empacotamento e a densidade de sítios de nucleação superficial (NS). A obtenção dos parâmetros de entrada do modelo é uma tarefa bastante trabalhosa, dificultando sua utilização. Neste trabalho, foi realizada uma análise crítica do modelo de Clusters e suas bases, comparando-se os resultados do modelo à sinterização de partículas esféricas e irregulares de diopsídio vítreo. O modelo de Frenkel foi capaz de descrever os estágios iniciais de sinterização apenas de maneira qualitativa, sendo necessário um fator de ajuste de ~1/3. Com esta correção, o modelo de Clusters Modificado foi capaz de descrever adequadamente a densificação dos pós em diferentes condições. O efeito da cristalização foi ligeiramente subestimado pelo modelo, o que pode ser explicado por um mecanismo de aumento de NS nos poros observado em trabalho anterior. Foi demonstrado que as partículas irregulares arredondam durante o tratamento térmico, fazendo com que sua taxa de sinterização se aproxime gradualmente da apresentada por partículas esféricas. Adicionalmente, um modelo para o cálculo da fração cristalizada a partir de núcleos na superfície e no volume de um vidro foi deduzido, podendo ser aplicado para partículas sinterizadas e em estudos de cristalização por DSC. Um novo método capaz de determinar a taxa de crescimento de cristais em uma faixa de temperatura com uma única análise de DSC foi desenvolvido e testado com sucesso para três vidros diferentes