SPP 1594: Topologisches Design hochfester Gläser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Hauptziel des SPP 1594 war die Erforschung der Auswirkung strukturchemischer Eigenschaften anorganischer Gläser auf deren mechanisches Verhalten. Während Gläser - hinsichtlich ihrer intrinsischen (theoretischen) Eigenschaften - zu den mechanisch stabilsten Materialien gehören, die in großem Maßstab herstellbar sind, erfüllen reale Anwendungen dieses Versprechen in der Regel nicht. Grund dafür ist die Spannungsverstärkung an mikroskopischen Defekten: bei Vorhandensein solcher Defekte kann die lokal wirkende mechanische Spannung um Größenordnungen höher sein als die makroskopische (extern angelegte) Spannung. Wenn - wie bei spröden Gläsern - das Material nicht durch lokale plastische Verformung reagieren kann, kann diese Spannungsüberhöhung nicht abgebaut werden und es kommt zum Materialversagen. Der Schlüssel zu diesem Problem ist das Verständnis lokaler Verformungsmechanismen und deren Anpassung durch die chemische Zusammensetzung des Glases. Im Fokus des SPP 1594 standen daher Volumeneigenschaften, die dem mechanischen Verhalten zugrunde liegen, sowie deren Strukturabhängigkeit auf mittleren Längenskalen (als Topologie bezeichnet). Zentrales Thema war die Ableitung derartiger Korrelationen für die Formulierung hochfester Gläser. Es wurde erwartet, dass durch die gemeinsame Behandlung anorganischer Oxidgläsern und metallischer Gläser wichtige Synergien hinsichtlich der grundlegenden Strukturbildungsprozesse zwischen hochvernetzten Gittern und Packungsstrukturen erhalten werden können. Dabei standen das Erreichen eines Konsensniveaus und synergistischer Ansätze im Mittelpunkt der ersten Finanzierungsperiode, während die zweite Periode sich auf bestimmte technische Fortschritte konzentrieren sollte. Insgesamt wurden unter Beteiligung von je 2-3 Projektleitern 11 eng vernetzte Forschungsprojekte durchgeführt (von denen 7 über zwei Finanzierungsphasen liefen). Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts konnten 21 junge Forscherinnen und Forscher anhand ihrer im Rahmen des SPP durchgeführten Arbeiten erfolgreich promoviert werden. Die dabei erzielten Forschungsergebnisse wurden in mehr als 90 von Experten begutachteten Veröffentlichungen publiziert. Im Rahmen des Programmes wurden zudem zwei hochranging besetzte Konferenzen organisiert, aus denen sich eine breite Palette von Spin-off- und Follow-Up-Perspektiven ergaben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- In Situ Electrochemical Analysis during Deformation of a Zr-Based Bulk Metallic Glass: A Sensitive Tool Revealing Early Shear Banding. Adv. Eng. Mater. 17, 1532-1535 (2015)
Grell, D, Gostin, PF, Eckert, J, Gebert, A, Kerscher, E
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201500273) - Plasticity, crack initiation and defect resistance in alkali-borosilicate glasses: From normal to anomalous behavior. J. Non-Cryst. Solids 417-418, 15–27 (2015)
Limbach, R, Winterstein-Beckmann, A, Dellith, J, Möncke, D, Wondraczek, L
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.02.019) - Quantitative Measurement of Density in a Shear Band of Metallic Glass monitored along its Propagation Direction. Phys. Rev. Lett. 115, 035501 (2015)
Schmidt, V, Rösner, H, Peterlechner, M, Wilde, G, Voyles, PM
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.115.035501) - A First-Principles Study on the Electronic, Vibrational, and Thermodynamic Properties of Jadeite and its Tentative Low- Density Polymorph. Z. Anorg. Allg. Chem. 642, 590-596 (2016)
Stoffel, RP, Philipps, K, Conradt, R, Dronskowski, R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/zaac.201600071) - Bulk elastic properties, hardness and fatigue of calcium aluminosilicate glasses in the mid/intermediate-silica-range. J. Non-Cryst. Solids 434, 1-12 (2016)
Pönitzsch, A, Nofz, M, Wondraczek, L, Deubener, J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2015.12.002) - In situ mechanical quenching of nanoscale silica spheres in the transmission electron microscope, Scripta Materialia 121, 70-74 (2016)
Mačković, M, Niekiel, F, Wondraczek, L, Bitzek, E, Spiecker, E
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.04.019) - Revealing the relationships between chemistry, topology and stiffness of ultrastrong Co- based metallic glass thin films: A combinatorial approach. Acta Mater. 107, 213-219 (2016)
Schnabel, Köhler, M, Evertz, S, Gamcova, J, Bednarcik, J, Music, D, Raabe, D, Schneider, JM
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.01.060) - Shear band relaxation in a deformed bulk metallic glass, Acta Mater. 109, 330 (2016)
Binkowski, I, Shrivastav, GP, Horbach, J, Divinski, SV, Wilde, G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.02.061) - Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica. J. Am. Ceram. Soc. 100, 1928-1940 (2017)
Bruns, S, Johanns, KE, Rehman, HUR, Pharr, GM, Durst, K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jace.14734) - Experimental and Theoretical Investigation of the Elastic Moduli of Silicate Glasses and Crystals. Front. Mater. 4, 2 (2017)
Philipps, K, Stoffel, RP, Dronskowski, R, Conradt, R
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fmats.2017.00002) - Ultrastiff metallic glasses through bond energy density design. J. Phys. Cond. Matter 29, 265502 (2017)
Schnabel, V, Köhler, M, Music, D, Bednarcik, J, Clegg, W, Raabe, D, Schneider, JM
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa72cb) - Mixed-modifier effect in alkaline earth metaphosphate glasses. J. Non-Cryst. Solids 481, 447-456 (2018)
Griebenow, K, Bragatto, CB, Kamitsos, EI, Wondraczek, L
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2017.11.041) - Structural relaxation mechanisms in hydrous sodium borosilicate glasses. J. Non-Cryst. Solids 497, 30-39 (2018)
Behrens H, Bauer U, Reinsch R, Kiefer P, Müller R, Deubener J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2018.05.025) - Structure and Properties of Nanoglasses, Adv. Eng. Mater. 20, 1800404 (2018)
Ivanisenko, Y, Kübel, C, Nandam, SH, Wang, C, Mu, X, Adjaoud, O, Albe, K, Hahn, H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adem.201800404) - Catastrophic stress corrosion failure of Zr-base bulk metallic glass through hydrogen embrittlement. Corrosion Sci. 159, 108057 (2019)
Geißler, D, Uhlemann, M, Gebert, A
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.06.012) - The influence of deformation on the medium-range order of a Zr-based bulk metallic glass characterized by variable resolution fluctuation electron microscopy. Acta Mater. 171, 275-281 (2019)
Hilke, S, Rösner, H, Geissler, D, Gebert, A, Peterlechner, M, Wilde, G
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2019.04.023) - Deformation-Induced Chemical Inhomogeneity and Short-Circuit Diffusion in Shear Bands of a Bulk Metallic Glass. Phys. Rev. Lett. 125, 205501 (2020)
Chellali, MR, Nandam, SH, Hahn, H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.125.205501) - Flow heterogeneities in supercooled liquids and glasses under shear, Phys. Rev. E 102, 023002 (2020)
Golkia, M, Shrivastav, GP, Chaudhuri, P, Horbach, J
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevE.102.023002) - Indentation Densification of Fused Silica assessed by Raman Spectroscopy and constitutive Finite Element Analysis. J. Am. Ceram. Soc. 103, 3076-3088 (2020)
Bruns, S, Uesbeck, T, Fuhrmann, S, Tarragó Aymerich, M, Wondraczek, L, de Ligny, D, Durst, K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jace.17024) - Indentation densification of fused silica assessed by Raman spectroscopy and constitutive finite element analysis. J. Am. Ceram. Soc. 103, 3076–3088 (2020)
Bruns, S, Uesbeck, T, Fuhrmann, S, Aymerich, MT, Wondraczek, L, de Ligny, D, Durst, K
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/jace.17024) - Influence of Al2O3 addition on structure and mechanical properties of borosilicate glasses. Front. Mater. 7, 189 (2020)
Bruns, S, Uesbeck, T, Weil, D, Möncke, D, van Wüllen, L, Durst, K, De Ligny, D
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fmats.2020.00189) - Statistical analysis of propagation rates of indentation-induced radial cracks in soda-lime-silica glass. J Non-Cryst. Solids 527, 119739 (2020)
Kiefer P, Deubener J, Müller R, Behrens H
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2019.119739)
