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Max Schwinger Hauptseminar AC V 29.01.13 1

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

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

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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 Bestndigkeit Lichtdurchlssig (Infrarotdurchlssig) Mechanische Stabilitt Geringe Wrmeleitfhigkeit (1.46 W/mK) Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Hland and George Beall, 2002

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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 berhitzung Keine Schmelze entdeckt sondern ein weies Material 5 Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Hland and George Beall, 2002

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Glas Quarzsand (SiO 2 ) Schmelzen bei ca. 1450 C Zugabe von Soda da Schmelzpunkt sonst zu hoch Kalk dient als Stabilisator Keramik Fest-Fest Reaktion Pulver hoher Reinheit (Teilchengre: 0.1 bis 0.005 m) Bsp.: Brennen von Ton 6 Quelle: http://www.materialarchiv.ch/detail/289#/detail/1344/quarzglas Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982

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

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8 Rohstoffe werden bei ca. 1600 C Aufgeschmolzen Formgebung durch Abkhlen der Schmelze bis unter die Glasbergangstemperatur Herstellung eines unterkhlten Glases Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

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

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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

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11 Quelle: Glaskeramik Fundament fr hchste Przision, Thorsten Dhring, Photonik 2/2008

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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 Hland and George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

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13 Keimbildungsrate: D = Diffusionskonstante G i = Keimbildungsenthalpie = Benetzungswinkel a = Durchmesser der angelagerten Molekle = Oberflchenspannung Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Hland and George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

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14 Kristallwachstum nur mglich wenn berlappung der Keimbildungs- und Kristallwachstumskurve Hhe und Breite der Peaks ist abhngig von der bersttigung der Schmelze (Viskositt) Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

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

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16 Schwingung zwischen zwei Atomen: durch elektrische Krfte elastisch festgehalten Atome knnen um Gleichgewichtslage schwingen,,Wrmebewegung Hhere Temperaturen grere Schwingungsenergie grere Schwingungsamplitude Federmodell: Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

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17 Wenn Bindungskrfte im Kristallgitter linear wren (ideale Feder) mittlerer Abstand R mit nicht von T abhngig symmetrischer Potentialverlauf In Wirklichkeit existiert ein asymmetrischer Potentialverlauf R, anziehende Kraft verschwindet R 0, sehr groe Abstoung Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

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18 Lngennderungen sind relativ klein (0.1% - 0.2% pro 100 K) Lngennderung also abhngig von der Temperaturnderung Erwrmung um T Lngennderung um l Lngennderung : Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

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19 Volumennderung : Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

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

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21 BiegeschwingungStreckschwingung Anregungsenergie:

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

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

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25 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 Hland, 2001,3,No.10 Glaskeramik Fundament fr hchste Przision, Thorsten Dhring, 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