Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Lithiumaluminosilicat-Glaskeramiken mit hoher Keimbildnerkonzentration

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Höche; Professor Dr.-Ing. Christian Rüssel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 265468261

Durch gezielte Kristallisation von Gläsern ist es möglich, anorganische Funktionswerkstoffe - Glaskeramiken - für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzeugen. So führt beispielsweise die gerichtete Keramisierung von Gläsern aus dem System Li2O/Al2O3/SiO2 (LAS) zu Glaskeramiken, welche als Nullausdehnungsmaterialien Anwendung finden, etwa in Form von Kochfeldern. Andererseits kann die gesteuerte Kristallisation von Gläsern aus dem System MgO/Al2O3/SiO2 (MAS) zu Werkstoffen mit großer Härte und Bruchfestigkeit führen. Das beantragte Forschungsvorhaben hat zum Ziel, durch die gezielte Beeinflussung der Mikro- und Nanostruktur die Eigenschaften der wirtschaftlich höchst relevanten Silicatglaskeramiksysteme LAS und MAS zu kombinieren. Insbesondere ist es beabsichtigt, bis dato nicht realisierte mechanische Eigenschaften (etwa hohe Biegebruchfestigkeit) am LAS-System zu erzielen. Robustere LAS-Glaskeramiken sind sehr wünschenswert, speziell in Kombination mit thermischer Nullausdehnung. Um Glaskeramiken mit nanoskaligen Kristallphasen für gewünschte Anwendungen maßschneidern zu können, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Keimbildungs- und Kristallisationsmechanismen unabdingbar. Insbesondere kann die Kombination zunächst widersprüchlicher Eigenschaften - hohe Härte und Nullausdehnung - nur basierend auf einem grundlegenden Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen realisiert werden. Umfangreiche Vorarbeiten an ZrO2-gekeimten Modellgläsern im MAS-System haben gezeigt, dass verschiedenste Mechanismen zur hochfesten Glaskeramik führen können. Neben Phasenumwandlungen ist hier beispielsweise die gezielte Ausscheidung kristalliner Phasen mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten denkbar. Auch kann die Zugabe von Y2O3 die Restglasphase stabilisieren und die Quarzbildung unterdrücken, gleichwohl aber zu hochfesten Glaskeramiken führen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen vertieft und ein direkter Vergleich mit Keimbildungs- und Kristallisationsmechanismen im LAS-System angestellt werden. Dabei werden die Arbeiten auf Modellsysteme mit wenigen Komponenten beschränkt, um Einflüsse von Minoritätskomponenten auszublenden. Es sollen Gläser im LAS-System mit ausschließlich ZrO2 als Keimbildner erschmolzen, kristallisiert und hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften sowie der Mikrostruktur charakterisiert werden, wobei hier definiert höhere Keimbildner-Konzentrationen als üblich berücksichtigt werden. Mit Methoden der Nanoanalytik soll der direkte Vergleich von MAS- und LAS-Glaskeramiken im zeitlichen Verlauf der Kristallisation, mit Fokus auf deren Frühstadien, erfolgen. In ausgewählte LAS-Glaszusammensetzungen soll Y2O3 eingebracht werden, um den Einfluss auf Phasenbildung, potentielle Restglasstabilisierung und mechanische Eigenschaften zu untersuchen. Die avisierten Untersuchungen dienen dem Ziel, zu einem möglichst umfassenden Gesamtbild der Kristallisationsmechanismen in silicatischen Glaskeramiken zu gelangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Kanada, Türkei
• Kooperationspartner: Professor Dr. ALi Mehmet Gülgün; Yongfeng Hu