Herstellung und Analyse von Gläsern mit hohem Brechungsindex mit Hilfe von Mehrkomponenten Siliziumdioxidnanokompositen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Frederik Kotz-Helmer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455798326

Glas zählt zu den bedeutendsten Werkstoffklassen für Wissenschaft, Technologie und Industrie. Im Bereich der Optik und Photonik spielen vor allem Mehrkomponentengläser mit einstellbarem Brechungsindex und Dispersion eine zentrale Rolle. Insbesondere Multikomponenten-Silikatgläser, bestehend aus Siliziumdioxid und zugesetzten Oxidkomponenten, können in ihren Eigenschaften wie Schmelztemperatur, thermischer Ausdehnung und im Brechungsindex gezielt angepasst werden. Die Formgebung solcher Gläser zu komplexen Bauteilen stellte jedoch lange Zeit eine wesentliche Einschränkung dar. Mit dem von mir entwickelten Glassomer-Prozess steht nun ein Verfahren zur Verfügung, das es ermöglicht, Glas bei Raumtemperatur mit etablierten Polymerverarbeitungstechniken, wie 3D-Druck oder Replikation, zu formen. Hierbei werden Nanokomposite, aus Siliziumdioxid-Nanopartikeln in einer organischen Bindermatrix eingesetzt, die nach der Formgebung durch Entbinderung und Sintern zu transparentem Glas umgesetzt werden. Der Prozess erlaubt nicht nur die Herstellung komplexer Geometrien, sondern auch eine präzise Kontrolle der Zusammensetzung. Zu Beginn war das Verfahren lediglich auf reine Quarzgläser beschränkt. In der ersten Projektphase konnte das Verfahren erfolgreich auf binäre Silikatgläser erweitert werden. Die bislang untersuchten Strategien zur Integration zusätzlicher Oxide erlauben jedoch nicht die Herstellung von Mehrkomponentengläser mit anpassbarem Brechungsindex, was insbesondere für optische Anwendungen nötig ist. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung, Analyse und Formgebung von Multikomponenten Silikatgläsern mit einstellbarem Brechungsindex auf Basis der Glassomer Technologie. Hierfür werden amorphe, Multikomponenten Nanopartikel mittels Flammen Sprüh Pyrolyse (FSP) direkt mit den gewünschten hochbrechenden Oxiden (z.B. TiO2, ZrO2 oder GeO2) und stabilisierenden Netzwerkkomponenten (z.B. B2O3, Al2O3) synthetisiert. Diese direkte Integration in die Partikel umgeht die in der ersten Projektphase identifizierten Einschränkungen bisheriger Strategien zur Oxidintegration und erlaubt höhere Konzentrationen ohne Phasenseparation oder Kristallisation. Das Projekt untersucht den gesamten Prozess, von der gezielten Partikelsynthese über die Formulierung photohärtender Nanokomposite bis hin zum Sintern und zur detaillierten Analyse der optischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften der Gläser. Des Weiteren wird die 3D dimensionale Strukturierung der Nanokomposite untersucht. Durch die Kombination von FSP-Synthese und Glassomer Technologie soll eine Plattform entstehen, die eine schnelle, reproduzierbare und geometrisch komplexe Herstellung neuartiger optischer Gläser ermöglicht. Dies ermöglicht neue Anwendungen in Optik, Photonik und Mikrostrukturtechnik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen