Einfluss von Glasstopologie und mittleren Verknüpfungsgrads auf die Deformationsmechanismen von Borosilicatgläsern, ein Multiskalenansatz

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Karsten Durst; Professorin Dr.-Ing. Sindy Fuhrmann; Professor Dr. Dominique de Ligny, seit 11/2016
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224502470

In der ersten Projektphase wurde der Einfluss topologischer Änderungen die entweder auf Variationen in der Zusammensetzung oder der Prozessparameter beruhten, auf die lokalen mechanischen Eigenschaften untersucht. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Defektresistenz, die beschreibt wie ein Glas auf die Einwirkung eines spitzen Kontaktes reagiert, z.B.: durch Verdichtung, plastisches Fließen, oder Rissinitiierung. Mit instrumentierter Eindringprüfung lassen sich elastisch-plastische und Bruch-Eigenschaften untersuchen und somit wird ein Weg zur Entwicklung von Gläsern mit signifikant verbesserten Oberflächendefektwiderstand aufgewiesen. Lokale Strukturänderungen nach unelastischer Deformation konnten mittels Raman Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie nachgewiesen werden. Gut charakterisierte, technisch wichtige Borosilikatgläser wurden untersucht, um die Rolle der auf Borat- und Silikat basierten Unternetzwerke bezüglich der mechanischen Eigenschaften aufzuzeigen. Die mittlere Verknüpfung im NBS2 Glas kann alleine über das Schmelz- und Kühlregime manipuliert werden. Änderungen der Zusammensetzung wirken sich stark auf den Elastizitätsmodul der Gläser aus, während die Härte, also der Widerstand gegenüber plastischer Verformung oder die Brucheigenschaften stark von der Kühlrate abhängen. Langsam abgekühlte NBS 2 Gläser haben einen besitzt eine hohe Zahl homopolarer Bindungen, die abgeschreckten Proben hingegen, welche sich durch einen viel höheren Rissbildungswiderstand auszeichnen, zahlreiche B-O-Si Bindungen. Insbesondere konnte die Rissinitiierungslast durch die Abkühlbedingungen stark beeinflusst werden. Abgeschreckte NBS2 Gläser erforderten eine deutlich erhöhte Rissinitiierungslast und die Rissausbreitung war zudem stark eingeschränkt. Da die gewonnen Ergebnissen zeigten, dass Ultrastrong Glasses mit hoher Fehlerbeständigkeit für technische Anwendungen, möglichst einen hohen Verknüpfungsgrad, keine Trennstellensauerstoffionen und viele B-O-Si Bindungen aufweisen sollten, gilt es in der kommenden Projektphase speziell solche Gläser zu untersuchen und weiter zu entwickeln. Um die Verbindung der Borat- und Silikat-Bausteine zu stärken soll die Rolle von Dotierungen wie Al2O3, Ga2O3, TiO2 oder GeO2 bei der Glasbildung untersucht werden. Plastisches Fließen, Verdichtung und Rissbildung unter spitzem Kontakt werden mittels kontinuumsmechanischer Modellierung interpretiert. In-situ Indentierung-SAXS Experimente und in-situ Experimente mit der quasi hydrostatischen Diamantdruckzelle werden die bisherigen Studien der unter mechanischer Einwirkung entstehenden Strukturänderungen komplementieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1594: Topologisches Design hochfester Gläser
• Internationaler Bezug: Griechenland
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Efstratios Kamitsos; Professorin Sandra Korte-Kerzel, Ph.D.; Dr. Christina Krywka
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Doris Möncke, bis 11/2016