Röntgenmikroskopische Untersuchungen zu heterogener Keimbildung und Kristallwachstum von Ba1-xSrxZn2Si2O7 Mischkristallen mit negativer thermischer Ausdehnung

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christian Thieme
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382900969

Dieser Antrag befasst sich mit den im Jahr 2015 entdeckten Mischkristallen der allgemeinen Zusammensetzung Ba1-xSrxZn2Si2O7 und deren Kristallisation in Gläsern. Die Mischkristalle weisen in weiten Zusammensetzungs- und Temperaturbereichen eine negative thermische Ausdehnung auf und sind daher als Bestandteil von niedrig- oder nullausdehnenden Materialien, insbesondere von Glaskeramiken, besonders geeignet. Durch die niedrigen Schmelztemperaturen unterhalb 1450 °C stellen diese Glaskeramiken echte Alternativen zu kommerziellen hochschmelzenden Lithiumalumosilicatglaskeramiken mit Herstellungstemperaturen über 1600 °C dar.Jedoch besitzen Gläser des Systems BaO-SrO-ZnO-SiO2 eine ausgeprägte Tendenz zur Oberflächenkristallisation und Mikrorissbildung. Letzteres wird durch die hohe Anisotropie in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Ba1-xSrxZn2Si2O7-Mischkristalle verursacht und verschlechtert potentiell die mechanischen Eigenschaften.Um die genannten Probleme der Oberflächenkristallisation und Rissbildung zu beheben, soll Volumenkristallisation durch die Zugabe verschiedener Keimbildner hervorgerufen werden. Die gezielte Einstellung bzw. Verringerung der Kristallgröße in der Glaskeramik beugt dabei der Rissbildung vor. Elektronenmikroskopie, Röntgenbeugung und UV-Vis-Spektroskopie sollen genutzt werden, um die Keimbildung und das Kristallwachstum zu charakterisieren. Dabei sollen besonders allgemeine Wachstumsmechanismen sowie epitaktisches Wachstum der Kristallphasen auf verschiedenen Keimbildnern und die Bestimmung von Keimbildungsraten im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen.Des Weiteren soll die neue Methode der Röntgenmikroskopie genutzt werden, um besonders die Rissbildung in den Glaskeramiken zu untersuchen, aber auch um die Grenzen der Methode an sich zu identifizieren. Insbesondere das Auffinden des Rissursprungs wird durch die 3-dimensionale Informationstiefe der Röntgenmikroskopie ermöglicht, wodurch die Mechanismen der Rissbildung aufgeklärt werden können. Außerdem soll erstmals Röntgenmikroskopie mit einer Auflösung von einigen zehn Nanometern für die höchstpräzise und 3-dimensionale Bestimmung von Keimbildungsraten eingesetzt werden. Diese Keimbildungsraten können anschließend genutzt werden, um die Anzahl und entsprechend auch die Größe der Kristalle im Volumen der Glaskeramik gezielt einzustellen.Ziel dieses Projektes ist es, ein generelles Verständnis der Kristallwachstumsmechanismen in Gläsern des Systems BaO-SrO-ZnO-SiO2 zu bekommen und eine Korrelation zwischen der Größe und Orientierung von Kristallen und der Bildung von Mikrorissen zu erhalten. Des Weiteren sollen die Mechanismen der Rissbildung und des Risswachstums während der Kristallisation anhand des genannten neuen Glassystems modellhaft charakterisiert werden. Dies wird signifikant zur Entwicklung niedrig dehnender Glaskeramiken auf Basis von Ba1-xSrxZn2Si2O7, sowie zur Entwicklung von Glaskeramiken mit anisotropen Phasen allgemein, beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen