Densificação em vidros transparentes de SiO2 preparados por sinterização por plasma spark

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14761 (2022) Citar este artigo

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Recentemente, a sinterização por plasma centelhado (SPS) tornou-se um método atraente para a preparação de cerâmicas no estado sólido. Como o SPS é um processo de baixa temperatura assistido por pressão, é importante examinar os efeitos da temperatura e da pressão nas propriedades estruturais das amostras preparadas. No presente estudo, examinamos a correlação entre as condições de preparação e as propriedades físicas e estruturais dos vidros de SiO2 preparados por SPS. Comparados com o vidro SiO2 convencional, os vidros SPS-SiO2 exibem maior densidade e módulo de elasticidade, mas um primeiro pico de difração agudo de altura inferior do fator de estrutura total de raios X. Os espectros micro-Raman e micro-IR sugerem a formação de regiões heterogêneas na interface entre os pós de SiO2 e a matriz de grafite. Considerando a formação de defeitos observada nos espectros de absorção óptica, a reação de redução afeta principalmente a densificação do vidro SPS-SiO2. Conseqüentemente, a reação na interface é importante para adaptar a estrutura e as propriedades físicas dos materiais no estado sólido preparados pela técnica SPS.

As cerâmicas têm chamado a atenção do ponto de vista de materiais funcionais com excelentes estabilidades térmicas e durabilidade química. Considerando os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável (ODS), a fabricação de materiais funcionais não é apenas importante cientificamente, mas também ambientalmente. Como as cerâmicas transparentes são utilizadas em diversas aplicações ópticas, os métodos e materiais de fabricação disponíveis têm sido investigados em todo o mundo. A síntese de cerâmica convencional requer energia, e um processo de fabricação sem energia é um aspecto importante dos ODS. Um método de preparação para obtenção de materiais transparentes é a sinterização por plasma centelhado (SPS)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Em contraste com os métodos convencionais de síntese cerâmica, o processo SPS permite a sinterização a uma temperatura mais baixa e em um tempo mais curto, utilizando energia elétrica e a alta energia do plasma de descarga1. Embora o tamanho do sólido obtido seja limitado, a sinterização a alta pressão e baixa temperatura é atrativa para a preparação de novos materiais funcionais, como fósforos .

Foi relatado que as propriedades dos materiais sólidos obtidos por SPS são diferentes daquelas dos materiais convencionais ou dos materiais obtidos por sinterização convencional. Como a técnica SPS foi desenvolvida para fabricação de materiais, a funcionalidade parece ser a principal prioridade dos pesquisadores. Estudos detalhados de propriedades físicas e estruturais são importantes não só para a análise de materiais, mas também para o aprimoramento da técnica SPS. No entanto, a análise estrutural microscópica por espectroscopia é considerada secundária ao exame da funcionalidade.

O vidro SiO2 tem sido utilizado como material óptico fundamental com alta durabilidade e estabilidade química em fibras ópticas e substratos. Devido à alta temperatura envolvida na fabricação, foram feitas diversas tentativas para fabricar vidro de SiO2 a baixas temperaturas; estes incluem métodos de fase líquida (como sol-gel) e SPS. O vidro SiO2 preparado pela SPS foi relatado pela primeira vez na década de 1990. A luminescência do vidro SiO2 contendo ativadores preparados por sinterização também foi relatada7,8,9,10. Como os vidros de SiO2 preparados por diferentes métodos apresentam propriedades diferentes para diferentes propósitos e aplicações, é muito importante investigar a relação entre a estrutura e as propriedades físicas do vidro de SiO2 preparado. No entanto, falta um estudo detalhado da estrutura do vidro SPS-SiO2. Neste estudo, realizamos uma análise estrutural do vidro SiO2 preparado pelo método SPS e comparamos suas características com as do vidro SiO2 convencional. Além disso, a análise microscópica seletiva do espaço foi utilizada para determinar a heterogeneidade espacial do vidro SPS-SiO2.