Efecto de la composición en las propiedades de los vidrios del sistema Ca-M-Si-Al-O-N-F (M=Y/Er/Nd/Mg)

Abstract

Se han preparado vidrios, correspondientes a tres sistemas vítreos, basados en la sustitución de oxígeno por nitrógeno y/o flúor, de composición general Ca-M-Si-Al-O-(N)-(F) (siendo M= Ca, Y o Mg, con una relación Ca:M única, en cada caso), modificando el contenido en nitrógeno entre el 0 y 20 % eq, y el contenido en flúor entre el 0 y el 7 % eq.

Todas las sustituciones estudiadas en los sistemas Ca-Ca (con un contenido de 20% equivalentes de Ca) y Ca-Y (con un contenido en 10% equivalentes de Ca y 10% de Y) han originado vidrios de naturaleza amorfa. Sin embargo, la sustitución de oxígeno por flúor en cantidades superiores a 3 % eq ha originado sólidos de naturaleza cristalina en el sistema vítreo Ca-Mg. Por ello, ha sido necesario modificar la relación catiónica en este sistema incrementando el número de equivalentes de Ca y Mg al 15%, respectivamente, ajustando la relación Si:Al, y modificado el contenido en nitrógeno entre el 0 y 15 % eq y el contenido en flúor entre el 0 y el 5 % eq.

Se ha observado que la densidad, compacidad, microdureza y módulo de Young aumentan de manera lineal con el contenido en nitrógeno, mientras que el volumen molar, la temperatura de transición vítrea y la temperatura de reblandecimiento disminuyen, también linealmente, con el contenido en nitrógeno. Por otro lado, todas las propiedades permanecen invariables con el contenido en flúor, excepto las temperaturas de transición vítrea y de reblandecimiento, que disminuyen de una manera drástica y lineal con el contenido del mismo.

Asimismo, se ha estudiado la relación entre las propiedades mecánicas, la compacidad y el volumen libre, así como la relación entre las propiedades térmicas y la densidad de reticulación.

Se ha concluido que los efectos del contenido en flúor sobre las propiedades de los vidrios de composición general Ca-M-Si-Al-O-(N)-(F) (siendo M= Ca, Y o Mg, con una relación Ca:M única, en cada caso), son totalmente independientes y aditivos a los del nitrógeno.

Se han preparado vidrios, correspondientes a cuatro sistemas vítreos, basados en la sustitución de Ca por M, de composición general (Ca)-(M)-Si-Al-O-N-F (donde M=Mg, Er, Nd o Y), manteniendo un contenido en nitrógeno y flúor constante. La sustitución total de Ca únicamente se ha realizado con Mg, mientras que el caso de los elementos de Er, Nd e Y la sustitución parcial máxima realizada ha sido del 20 % eq.

El análisis de los efectos producidos en las propiedades físicas ha demostrado que éstas solamente dependen de la intensidad de campo catiónico efectiva si la valencia de los cationes modificadores es la misma (es decir, Ca y Mg). Sin embargo, cuando se reemplaza el Ca por cationes trivalentes (es decir, Y, Er y Nd), las propiedades dependen tanto de la intensidad de campo catiónico efectiva como del número de tetraedros (Si, Al) (O, N, F)4 asociados con cada catión modificador.

Finalmente, se han obtenido expresiones empíricas para cada una de las diferentes propiedades físicas estudiadas de los vidrios del sistema Ca-M-Si-Al-O-N-F, que relacionan dicha propiedad bien con el contenido en nitrógeno y flúor (efectos independientes pero aditivos) o bien con la intensidad catiónica efectiva y el número de tetraedros asociados a cada catión modificador.