Die Entschlüsselung der Rolle des Titans in Glasschmelzen: Ein moderner, systematischer auf In-Situ-Charakterisierung und tiegelfreiem Schmelzen basierender Ansatz

• Antragsteller: Dr.-Ing. Alessio Zandona
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448961237

Dieses Forschungsprojekt ist als eine breit gefächerte Untersuchung des Titaneinbaus in silicatischen Schmelzen sowie des Einflusses von TiO2 auf die Glaskristallisation während sekundärer Temperungen konzipiert: Es soll am CEMHTI Forschungszentrum (Conditions Extrêmes et Matériaux: Haute Température et Irradiation) in Orléans, Frankreich, über eine Dauer von 24 Monaten stattfindenTiO2 ist eine Schlüsselkomponente kommerziell erhältlicher Funktionsgläser und Glaskeramiken sowie natürlicher glasbildender Magmas. Dabei weist Titan eine variable Konfiguration im Glasnetzwerk auf, indem seine Sauerstoffkoordination von rein tetraedrisch bis rein oktaedrisch als Funktion der Glaszusammensetzung variieren kann. Seit Jahrzehnten wird dieses Oxid auch als Keimbildner für die gesteuerte Kristallisation alumosilicatischer Gläser eingesetzt. In Abhängigkeit von der Grundzusammensetzung können unterschiedliche Ti-haltige Phasen wie TiO2(B), Anatas, Rutil und verschiedene Titanat-Phasen während der Glaskeramisierung entstehen.Vorarbeiten im Rahmen meiner Promotion setzten den Schwerpunkt auf die Kristallisation TiO2-dotierter Glaskeramiken des lithium-magnesium-alumosilicatischen Systems. TiO2(B) wurde zum ersten Mal in einer Glaskeramik nachgewiesen und der starke Einfluss von TiO2 auf die Glaskristallisation von der Keimbildungsphase bis zu den bei höheren Temperaturen stattfindenden Festkörperumwandlungen untersucht. Dabei begrenzte die Verwendung konventioneller analytischer Methoden sowie konventioneller Schmelztechnologien die Aussagefähigkeit dieser Ergebnisse für die Entwicklung eines ausführlichen Verständnisses der Rolle von TiO2 in der Glaskristallisation.Aus diesen Gründen wird dieses Projekt als ein breites kompositionelles Screening aufgebaut, das additiv und schrittweise vom binären SiO2-TiO2 System in Richtung der drei TiO2-dotierten Zielglaszusammensetzungen durchgeführt wird: Nephelin (NaAlSiO4), Mg-Cordierit (Mg2Al4Si5O18) und Zn-substituierter Cordierit (Zn2Al4Si5O18). Gläser mit herausfordernder Zusammensetzung werden durch an Laser-Heizung gekoppelte tiegelfreie aerodynamische Levitation synthetisiert; das CEMHTI verfügt über diese Technologie sowie mehrere analytische In-situ-Methoden, wie Hochtemperatur-Raman-Spektroskopie, -Röntgenbeugung, -Elektronenmikroskopie und –Kernspinresonanzspektroskopie, die sich hervorragend für die direkte Untersuchung der Rolle des Titans in der Kristallisationssequenz während einer Glaskeramisierung eignen. Die enge Zusammenarbeit vom CEMHTI mit europäischen Synchrotronen stellt einen weiteren Vorzug für dieses Projekt dar.Alles in allem soll dieses Projektes dazu beitragen, den Einfluss kompositionell bedingter Änderungen der Titanumgebung im Glas auf die darauffolgende Kristallisationssequenz zu entschlüsseln. Damit sollen unser Verständnis für diese Prozesse und die künftige Entwicklung innovativer Glaskeramiken gefördert werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Gastgeber: Dr. Mathieu Allix