Einfluß topologischer Anisotropie auf die mechanischen Eigenschaften von Silikatgläsern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Erik Bitzek; Professor Dr. Erdmann Spiecker; Professor Dr.-Ing. Lothar Wondraczek
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224500468

Im vorliegenden Projekt soll ein grundlegendes Verständnis und eine vereinheitlichende Beschreibung anisotroper oxydischer Gläser und deren mechanischen Eigenschaften erarbeitet werden. Auf dieser Grundlage sollen Strategien zur Verbesserung des Versagensverhalten entwickelt werden, die topologische Anisotropie gezielt ausnutzen, um maßgeschneiderte Eigenschaften einzustellen. Das Fernziel ist dabei die Herstellung ultrafester technischer Gläser. Anistrope Gläser, z.B. in Form von Glasfasern, sind seit längerem bekannt. Ebenso ist bekannt, dass Anisotropie zu einer wesentlich erhöhten Zugfestigkeit führen kann. Die Mechanismen, die zur Anisotropie führen, und der Zusammenhang mit der zugrundeliegenden Glastopologie sind jedoch noch weitgehend unerforscht.In der ersten Förderphase haben wir zum einen glaschemische Ansätze mit makroskopischen Eigenschaftsmessungen, zum anderen mechanische in situ Testverfahren im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) mit atomistischen Rechnungen kombiniert, um Anisotropie und ihren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Gläsern zu studieren. Dabei stellte sich das Phänomen der Anisotropie komplexer dar, als im Allgemeinen angenommen. Insbesondere konnten wir zeigen, dass transiente Anisotropie, wie sie bei elastischer Verformung auftritt, nicht direkt mit der Ausbildung persistenter, struktureller Anisotropie zusammenhängt - unabhängig ob diese durch plastische Verformung oder durch das Einfrieren eines fließenden Glases erzeugt wurde. Weiterhin konnten wir zeigen, dass der Grad der persistenten Anisotropie stark von der Temperatur und der Art der Verformung abhängt. In experimenteller Hinsicht war dabei die Entwicklung einer neuartigen Methode zur Herstellung anisotroper Glasstrukturen auf der Nanoskala entscheidend. Dabei wird ausgenutzt, dass mittels Elektronenbestrahlung im TEM das Fließen oxydischer Gläser gezielt kontrolliert werden kann. Der Elektronenstrahl übernimmt dabei die Rolle der Temperatur. Hierüber lassen sich Nanostrukturen unter Last superplastisch verformen, ihre Struktur lässt sich instantan einfrieren und die Proben können vor, während und nach der Elektronenstrahlexposition mechanisch getestet werden.Weiterhin konnten wir die Indentation mittels keilförmiger Spitzen als Methode zur Untersuchung richtungsabhängiger mechanischer Eigenschaften etablieren. In der 2. Förderperiode liegt unser Fokus auf der Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Tendenz eines Glases, persistente Anisotropie auszubilden und dessen struktureller Dimension. Hierzu werden wir unsere Untersuchungsansätze auf komplexere Gläser ausweiten und insbesondere den Übergang zwischen Phosphosilikat und Metaphosphatgläsern untersuchen. Letztere sind durch kettenartige Strukturen gekennzeichnete, wohingegen erstere 3D-Netzwerkstruktuern und Kettenstrukturen kombinieren. Weiterhin werden wir unsere e-beam-quenching Methode und in situ Testverfahren auf Zugversuche an Fasern und dünnen Schichten erweitern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1594: Topologisches Design hochfester Gläser