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Phänominilogische Studien des Blähens von bioactiven Gläsern verschiedener Zusammensetzung und Unteruschung des Einflusses einer Kristallisation. Die ausgasenden Komponenten wurden mittels Vakuumheißextraktion(VHE) und Infrarotspektroskopie identifiziert sowie der Einfluss von Korngröße, Mahldauer und -atmosphäre auf das Blähen unterucht.
Bioaktive Gläser werden zur Knochenregeneration derzeit überwiegend in Form von Pulvern oder Pasten einge-setzt. Gesinterte Strukturen oder Fasergewebe werden hingegen bisher kaum klinisch genutzt. Grund hierfür sind die gegenläufigen Tendenzen von Prozessierbarkeit und Bioaktivität. Beim kommerziell etablierten Bioglass® 45S5 wird eine vollständige Sinterung durch Kristallisation verhindert. Aus diesem Grund war es das Ziel, neue Glaszusammensetzungen zu entwickeln, welche gleichermaßen eine gute Prozessierbarkeit und eine hohe Bioak-tivität aufweisen. Ausgehend vom Bioglass® 45S5 (SiO2-P2O5-CaO-Na2O) wurde das Calcium / Alkali-Verhältnis angehoben, Natriumoxid teilweise durch Kaliumoxid ersetzt und bis zu 8 mol% Calciumfluorid hinzugefügt, um dessen Tendenz zur Kristallisationsneigung zu verringern. Das Sinter- und Kristallisationsverhalten der neuen Gläser und der Einfluss der Korngrößenverteilung wurden mittels Partikelgrößenanalyse, Erhitzungsmikroskopie DTA, DSC, FTIR, XRD und REM untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die neuentwickelten Gläser ein deutlich verbessertes Sinterverhalten aufweisen und relative Dichten von 88 – 99 % erreichen. Dagegen konnten vergleichbare Bioglass® 45S5 -Pulver nur bis auf 57 – 67 % gesintert werden. Diese Beobachtung sowie XRD- und FTIR-Messungen belegen, dass Bioglass® 45S5 bereits während des Sinterns kristallisiert wogegen die neu entwickelten Gläser erst nach dem vollständigen Verdichten kristallisieren.
Um das Risswachstum in Gläsern zu untersuchen, sind in einer Glovebox 185 Risse ausgehen von Vickers-Eindrücken in Kalk-Natron-Glas initiiert und gewachsen. Die direkte Beobachtung des unterkritischen Risswachstums erfolgte mit einer Hochgeschwindigkeitskamera. Die Ergebnisse zeigen, dass die statistische Auswertung vieler radialer Risse von multiplen Rissevents notwendig ist, um eine Korrelation zum Spannungsintensitätsfaktor ziehen zu können.
Wasser hat einen starken Einfluss auf die Depolymerisation des Glasnetzwerks silikatischer Gläser, was sich durch eine deutliche Senkung der Glasübergangstemperatur, Tg, bemerkbar macht. So hat Wasser einen großen Einfluss auf die Alterung, Ermüdung und das unterkritische Risswachstum in Gläsern. Sub-Tg Relaxationsphänomene spielen hier ebenfalls eine große Rolle, sind aber für Gläser mit hohen Gehalten an strukturell gebundenem Wasser kaum untersucht. In dieser Arbeit wurden daher Kalk-Natron-Silikat (NCS) und Natrium-Borosilikat (NBS) Gläser mit Wassergehalten von bis zu 8 Gew.% mittels Differentialthermoanalyse (DTA), Mikropenetration und vor allem dynamisch mechanischer Thermoanalyse (DMTA) zur Charakterisierung netzwerkbedingter Relaxationsmechanismen (alpha-Relaxation) im Bereich des Glasübergangs sowie weiterer schnellerer sub-Tg Relaxationsmechanismen (beta-, gamma-Relaxation) bei tieferen Temperaturen untersucht. Mit Hilfe der IR-Spektroskopie wurde der Gesamtwassergehalt und die Speziation des Wassers als molekulares Wasser oder als OH-Gruppe in den Gläsern bestimmt.
Für niedrige Wassergehalte treten zwei sub-Tg Verlustpeaks auf, die der Bewegung von Alkali bei tiefen Temperaturen (gamma-Relaxation) und einer kooperativen Bewegung verschiedener mobiler Spezies unter Beteiligung von OH bei höherer Temperatur (betaOH- Relaxation) zugeordnet werden können. Bei hohen Wassergehalten, bei denen ein messbarer Anteil an molekularem Wasser im Glas vorliegt, ist ein weiterer Verlustpeak zu beobachten, der mit der Bewegung von molekularem Wasser im Glasnetzwerk in Verbindung gebracht werden könnte (betaH2O-Relaxation).
Die Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die Bestimmung geringer H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen und numerische Simulationen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode (Vakuum-Heißextraktion mit massenspektrometrischem Gasnachweis) für die Bestimmung sehr geringer Diffusivitäten geeignet ist und nur geringe Glaspulvermengen benötigt werden. Die gemessene isotherme Gasabgabe wird dabei im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle für sphärische Partikel gefittet und hieraus der H2-Diffusionskoeffizient berechnet. Über die aus den gleichen Messdaten bestimmte H2-Löslichkeit wird dann die H2-Permeabilität bestimmt. Bislang unklar ist jedoch der Einfluss von Abweichungen der Partikelform von der Kugelgestalt und der Partikelgrößenverteilung. Ausgehend von FE-Modellierungen mit COMSOL Multiphysics® wurde die Empfindlichkeit verschiedener Parameter (Partikelgröße, Partikelform, Partikelgrößenverteilung) auf die experimentelle Bestimmung des Diffusionskoeffizienten untersucht. Der Vortrag berichtet über daraus resultierende Optimierungen der Methode hinsichtlich der Probenvorbereitung und der Messdatenauswertung. Am Beispiel von Quarzglas wird gezeigt, dass mit der VHE-Pulvermethode annähernd die Genauigkeit klassischer Messverfahren erreicht wird. Weiter werden Messbeispiele an wesentlich gasdichteren Gläsern angegeben.
Die Festigkeit von Gläsern wird durch die Oberflächenqualität beeinflusst. Kommt es neben dem Auftreten von Defekten zusätzlich zum Risswachstum ausgehend hiervon, wird die Festigkeit minimiert. Das Wachstum hängt dabei maßgeblich von der Luftfeuchtigkeit ab. Dieses Ermüdungsverhalten von Gläsern besser zu verstehen und dabei die Mechanismen und den Einfluss von im Volumen eingebauten Wasser auf das unterkritische Risswachstum zu untersuchen, ist Ziel der Arbeiten. Als Teilprojekt im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms SPP 1594 „Ultrastrong glasses“ soll der Einfluss des im Volumen eingebauten Wassers auf die Rissspitze untersucht werden. Zusammen mit der Leibniz Universität Hannover und der TU Clausthal werden hierfür hochwasserhaltige Gläser (bis zu 8 Gew%) bei 8 kbar über die Flüssigphase synthetisiert, die makroskopisch den hohen Wasseranteil nachstellen. Die Charakterisierung erfolgt hinsichtlich des Wassereinbaus, der mechanischen Eigenschaften und des Risswachstums. Die Arbeiten in Berlin beziehen sich hierbei auf die Messungen des unterkritischen Risswachstums in Luft und Vakuum, sowie Verlustwinkelmessungen.
Erste Ergebnisse zeigen Unterschiede im korrosionsbeeinflussten (langsames) und inerten (schnelles und im Vakuum stattfindendes) Risswachstumsverhalten der untersuchten Gläsern. Die Rissgeschwindigkeit beim Übergang vom korrosionsbeeinflussten zum inerten Risswachstum ist hin¬gegen für alle Gläser ähnlich und folglich ein kinetisch durch den äußeren Wassertransport an die Rissspitze bestimmter Prozess. Der Widerstand gegen Risswachstum steigt mit Tg und zusätzlich kann anhand der Verlustwinkelmessungen ein Zusammenhang zwischen der Netzwerk- und der β-Relaxation ermittelt werden. Je höher der Wassergehalt im Glas ist, desto niedriger wird Tg und einfacher das Risswachstum, welches sich durch längere Risse kennzeichnet. Besonders stark tritt dieser Effekt bei einem Überschuss an molekularem Wasser auf.