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Max Schwinger Hauptseminar AC V 29.01.13 1. Was ist eine Glaskeramik? Historisches Herstellung Keimbildung Thermische Expansion Anwendungen 2.

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Präsentation zum Thema: "Max Schwinger Hauptseminar AC V 29.01.13 1. Was ist eine Glaskeramik? Historisches Herstellung Keimbildung Thermische Expansion Anwendungen 2."—  Präsentation transkript:

1 Max Schwinger Hauptseminar AC V

2 Was ist eine Glaskeramik? Historisches Herstellung Keimbildung Thermische Expansion Anwendungen 2

3 3 Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

4 4 Es gibt viele verschiedene Systeme ZAS-System (ZnO x Al 2 O 3 x n SiO 2 ) LAS-System (Li 2 O x Al 2 O 3 x n SiO 2 ) MAS-System (MgO x Al 2 O 3 x n SiO 2 ) Chemische und biologische Beständigkeit Lichtdurchlässig (Infrarotdurchlässig) Mechanische Stabilität Geringe Wärmeleitfähigkeit (1.46 W/mK) Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

5 Hummel entdeckt 1951 den Effekt der negativen thermischen Expansion S.D. Stookey gelingt Mitte der 50er Jahre durch einen Zufall die Entdeckung der Glaskeramik Versuch zur Herstellung einer Fotoform-Platte Misslungen durch Überhitzung Keine Schmelze entdeckt sondern ein weißes Material 5 Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

6 Glas Quarzsand (SiO 2 ) Schmelzen bei ca °C Zugabe von Soda da Schmelzpunkt sonst zu hoch Kalk dient als Stabilisator Keramik Fest-Fest Reaktion Pulver hoher Reinheit (Teilchengröße: 0.1 bis µm) Bsp.: Brennen von Ton 6 Quelle: Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982

7 Glaskeramik 7 Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

8 8 Rohstoffe werden bei ca °C Aufgeschmolzen Formgebung durch Abkühlen der Schmelze bis unter die Glasübergangstemperatur Herstellung eines unterkühlten Glases Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

9 9 Temperaturerhöhung auf ca. 100 – 150 °C über T g Keime bilden sich (Keimbildner ZrO 2 oder TiO 2 ) Kristallwachstum durch weitere Erhöhung der Temperatur (ca. 100 °C) Glaskeramik entsteht Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

10 10 LAS System mit 0 wt.% TiO 2 LAS System mit 7.5 wt.% TiO 2 Einfluss eines Keimbildners : Quelle: Synthesis of negative thermal expansion TiO2-doped LAS substrates, G.-J. Sheu, 2005

11 11 Quelle: Glaskeramik – Fundament für höchste Präzision, Thorsten Döhring, Photonik 2/2008

12 12 Durch thermische Fluktuationen sowie Mikrorisse im Material entstehen Embryonen Wachsen bis zum kritischen Radius stabile Keime entstehen Freie Enthalpie: Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

13 13 Keimbildungsrate: D = Diffusionskonstante ΔG i = Keimbildungsenthalpie = Benetzungswinkel a = Durchmesser der angelagerten Moleküle σ = Oberflächenspannung Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

14 14 Kristallwachstum nur möglich wenn Überlappung der Keimbildungs- und Kristallwachstumskurve Höhe und Breite der Peaks ist abhängig von der Übersättigung der Schmelze (Viskosität) Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

15 15 Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

16 16 Schwingung zwischen zwei Atomen: durch elektrische Kräfte elastisch festgehalten Atome können um Gleichgewichtslage schwingen,,Wärmebewegung Höhere Temperaturen größere Schwingungsenergie größere Schwingungsamplitude Federmodell: Quelle:

17 17 Wenn Bindungskräfte im Kristallgitter linear wären (ideale Feder) mittlerer Abstand R mit nicht von T abhängig symmetrischer Potentialverlauf In Wirklichkeit existiert ein asymmetrischer Potentialverlauf R, anziehende Kraft verschwindet R 0, sehr große Abstoßung Quelle:

18 18 Längenänderungen sind relativ klein (0.1% - 0.2% pro 100 K) Längenänderung also abhängig von der Temperaturänderung Erwärmung um Δ T Längenänderung um Δ l Längenänderung : Quelle:

19 19 Volumenänderung : Quelle:

20 20 Voraussetzungen: Keine dichteste Packung offene Struktur Verknüpfte Tetraeder/Oktaeder Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

21 21 BiegeschwingungStreckschwingung Anregungsenergie:

22 22 Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002 Bsp.: β-Eukryptit (Model Palmer 1994)

23 23 Thermische Expansion am Beispiel ZERODUR ® :

24 Küchengerätschaften Laborgeräte Teleskopspiegelträger Laserspiegel Dentaltechnik 24

25 25 Synthesis of negative thermal expansion TiO2-doped LAS substrates, G.-J. Sheu, 2005 Microstructural Evolution in Some Silicate Glass Ceramics: A Review, Linda R. Pickney, 2007 Negative thermal expansion materials, John S.O. Evans, 1999 Nucleation an Crystalization Phenomena in Glass-Ceramics, Wolfram Höland, 2001,3,No.10 Glaskeramik – Fundament für höchste Präzision, Thorsten Döhring, 2/2008 Glass-Ceramic Materials, Z. Strnad; Glass Science and Technology 8, 1986 Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982


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