Kinetische Fragilität von Schmelzen bedingter Glasbildneroxide

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Deubener
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510956017

Bedingte Glasbildneroxide (CGFs) spielen als Komponenten bei der Herstellung hochspezialisierter und optischer Gläser eine wesentliche Rolle. Ihre Bereitschaft zur Glasbildung durch Schmelzabschreckung ist aufgrund der sofortigen Kristallisation stark eingeschränkt und sie bilden in der Praxis Gläser nur durch binäre oder mehrkomponentige Mischungen mit anderen Oxiden. Jedoch ist der Ursprung für die begrenzte Glasbildung von CGFs basierend auf strukturellen und/oder kinetischen Kriterien noch nicht zufriedenstellend geklärt. Das Ziel des Forschungsantrags ist es daher, die Beziehung zwischen Enthalpierelaxation und viskosem Fluss durch die Einordnung in das stabil-fragil Schema der kinetischen Fragilität und ihre strukturellen Ursachen zu untersuchen. Die Experimente basieren auf der Fähigkeit moderner Flash-Differential-Scanning-Kalorimeter (FDSC), ein kleines Tröpfchen (wenige Mikrometer groß) einer Schmelze mit hoher Geschwindigkeit (bis zu 50.000 K s-1) abzuschrecken und gleichzeitig charakteristische Temperaturen des Glasübergangs zu bestimmen woraus in einem zweiten Schritt Viskosität und kinetische Fragilität erhalten werden. Parallelverschiebungsfaktoren werden bereitgestellt, indem eine Zusammensetzungsschleife durchgeführt wird, die die Viskosität mit kalorimetrischen Daten von Netzwerkwandler enthaltenden CGF-Gläsern verknüpft. Mit der Verwendung von FDSC und Parallelverschiebungsfaktoren soll die Arbeitshypothese die Erwartung verifizieren, dass Enthalpierelaxation und viskoser Fluss am Glasübergang von fragilen CGFs entkoppelt sind. Die Arbeiten konzentrieren sich auf drei CGFs: das Halbmetalloxid Sb2O3, das Übergangsmetalloxid V2O5 und das Schwermetalloxid Bi2O3, die aufgrund der attraktiven Eigenschaften in Gläsern, der thermischen Stabilität ihrer Schmelze und der unterschiedlichen elektronischen Konfiguration des Metall- bzw. Halbmetallkation ausgewählt wurden. Strukturelle Informationen über die Nah- und Mittelbereichsordnung werden durch Nutzung von Raman-Intensitäten des kleinen Glastropfens gewonnen, für die eine spezielle Ausstattung aufgebaut wurde. Damit soll auf das Ausmaß der dynamischen Heterogenität rückgeschlossen und mit den viskosimetrischen/kalorimetrischen Ergebnissen korreliert werden. Die von der Arbeitshypothese behandelten Fragestellungen werden darüber hinaus durch vergleichende Forschung im Hinblick auf die Hervorhebung des zu erwartenden nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Glasübergangstemperatur und dem Netzwerkwandleranteil von CGF Schmelzen bei Annäherung an das Verunreinigungsniveau verdeutlicht. Dabei wird die temperaturabhängige Constraint-Theorie verwendet, um einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Konnektivität des CGF-Glasnetzwerks und der Zusammensetzungsabhängigkeit der Glasübergangstemperatur herzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen