Glaskeramiken Hauptseminar AC V Max Schwinger 29.01.13

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

Was ist eine Glaskeramik? Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

Was ist eine Glaskeramik? Es gibt viele verschiedene Systeme ZAS-System (ZnO x Al2O3 x n SiO2) LAS-System (Li2O x Al2O3 x n SiO2) MAS-System (MgO x Al2O3 x n SiO2) Chemische und biologische Beständigkeit Lichtdurchlässig (Infrarotdurchlässig) Mechanische Stabilität Geringe Wärmeleitfähigkeit (1.46 W/mK) Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

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

Herstellung Glas Keramik Quarzsand (SiO2) Schmelzen bei ca. 1450 °C Zugabe von Soda da Schmelzpunkt sonst zu hoch Kalk dient als Stabilisator Keramik Fest-Fest Reaktion Pulver hoher Reinheit (Teilchengröße: 0.1 bis 0.005 µm) Bsp.: Brennen von Ton Pulverherstellung  Pulveraufbereitung  Formgebung (Grünkörper)  Ausheizen von Dispersionsmitteln  Sintern des Grünkörpers zum sogenannten Weißkörper Quelle: http://www.materialarchiv.ch/detail/289#/detail/1344/quarzglas Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982

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

Herstellung  Rohstoffe werden bei ca. 1600 °C Aufgeschmolzen  Formgebung durch Abkühlen der Schmelze bis unter die Glasübergangstemperatur Herstellung eines unterkühlten Glases Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

Herstellung  Temperaturerhöhung auf ca. 100 – 150 °C über Tg Keime bilden sich (Keimbildner ZrO2 oder TiO2) Kristallwachstum durch weitere Erhöhung der Temperatur (ca. 100 °C) Ostwald-Reifung: Glaskeramik entsteht Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

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

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

Keimbildung Durch thermische Fluktuationen sowie Mikrorisse im Material entstehen Embryonen Wachsen bis zum kritischen Radius  stabile Keime entstehen Freie Enthalpie: Durch thermische Fluktuationen entstehen Embryonen Zwei Energien ergeben die Bildungsenthalpie dieser Spezies  Energie zur Bildung einer neuen Oberfläche zwischen amorpher Phase und Embryophase  Kristallisationswärme welche bei der Phasentransformation von Glasphase in kristalline Phase des Embryos frei wird Aus der Bedingung eines Maximums der Gesamtenthalpie in Abhängigkeit vom Embryoradius lässt sich ein kritischer Radius ableiten  Grenze zwischen stabilen und labilen Embryonen  Embryonen werden zu Keimen Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

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

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

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

Thermische Expansion Federmodell: Schwingung zwischen zwei Atomen: durch elektrische Kräfte elastisch festgehalten Atome können um Gleichgewichtslage schwingen ,,Wärmebewegung“ Höhere Temperaturen größere Schwingungsenergie größere Schwingungsamplitude Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

Thermische Expansion Wenn Bindungskräfte im Kristallgitter linear wären (ideale Feder)  mittlerer Abstand Rmit nicht von T abhängig  symmetrischer Potentialverlauf In Wirklichkeit existiert ein asymmetrischer Potentialverlauf  R  ∞ , anziehende Kraft verschwindet  R  0 , sehr große Abstoßung Coulomb Gesetz Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

Thermische Expansion Längenänderung: Längenänderungen sind relativ klein (0.1% - 0.2% pro 100 K) Längenänderung also abhängig von der Temperaturänderung Erwärmung um ΔT Längenänderung um Δl Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

Thermische Expansion Volumenänderung: Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

Thermische Expansion Voraussetzungen: Keine dichteste Packung  offene Struktur Verknüpfte Tetraeder/Oktaeder ReO3-Typ Pm3m Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

Thermische Expansion Anregungsenergie: Biegeschwingung Streckschwingung

Thermische Expansion Bsp.: β-Eukryptit (Model Palmer 1994) Gillery und Bush: Helixes  Spannung Schulz: 4-fach Koord.  6-fach Koord. (Li+ Wanderung) Palmer: Repulsion Li+ <-> Al3+/Si4+ Beta-Eukryptit: Hochquarz, 62 2 22 hexagonal Primitives gitter Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

Thermische Expansion Thermische Expansion am Beispiel ZERODUR®: http://www.schott.com/austria/german/download/zerodur_katalog_deutsch_2004.pdf

Anwendungen Küchengerätschaften Laborgeräte Teleskopspiegelträger Laserspiegel Dentaltechnik

Quellen http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf http://www.materialarchiv.ch/detail/659/Glaskeramik#/detail/659/glaskeramik-siehe-ds-von-mr-hannes 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