5 Werkstofftechnik
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Um die Langzeitbeständigkeit von Hochtemperatur-Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) sicherzustellen, ist das grundlegende Verständnis der viskosen Schließung oder Heilung von Rissen, als Folge wechselnder thermischer oder mechanischer Belastung, in Gläsern und teilkristallinen Materialien ein entscheidender Faktor. In Glas ist die Rissheilung hauptsächlich durch viskoses Fließen bestimmt. In teilkristallinen Schmelzen bewirkt der kristalline Volumenanteil die Erhöhung der effektiven Viskosität. Um die Auswirkungen des kristallinen Volumenanteils auf die Rissheilung zu ergründen, wurden Glasmatrixkomposite mit variierten inerten kristallinen Fülleranteilen, die während der Wärme-behandlung konstant blieben, hergestellt. Verwendet wurde ein kristallisationsträges Natrium-Calcium-Silicatglas und ZrO2 als inerter Füller. Komplexe, reproduzierbare Rissstrukturen wurden durch Vickers-Eindrücke erzeugt und die viskose Rissschließung während isothermer Wärmebehandlungs-schritte mittels Laser-Scanning-Mikroskopie verfolgt. Die Untersuchungen zeigen, dass, verglichen zum füllerfreien Glas, der kristalline Phasenanteil die effektive Viskosität erhöht und dadurch großräumiges Fließen verlangsamt. Dies verzögert das Aufweiten der Risse. Dieser Effekt erschwert die Rissverkürzung und führt oftmals zu großen gerundeten Kavitäten und dadurch zu einer verzögerten Rissschließung. Wird dieses Aufweiten verringert, ist zunächst ein lokales viskoses Fließen der Restglasphase weiterhin gegeben, sodass sich die Risse sogar schneller schließen. Für kristalline Anteile > 27 Vol% bildet sich dann ein stabiles Perkolationsgerüst aus, das die weitere Rissschließung auch lokal unterbindet. Nur innerhalb größerer glasiger Bereiche ist hierbei noch eine Rissschließung zu beobachten. Ein Optimum der Risslängenverkürzung konnte bei 17 Vol% beobachtet werden.
Silber-Glas Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle zum Beispiel in Glas-haltigen Silberpasten, die in der Photovoltaik oder Mikroelektronik verwendet werden. Um ein besseres Verständnis der Vorgänge zu erhalten, werden niedrig-schmelzende, bleifreie X2O ZnO B2O3 Gläser (X = Li, Na, K und Rb, Abk.: LZB, NZB, KZB and RZB) zur Untersuchung der Pasten verwendet.
Raman und Infrarot Spektroskopie zeigen, dass die Glasstruktur weitgehend vergleichbar ist, aber Unterschiede in der Bildung von Pentaboratgruppen in LZB und NZB oder Diboratgruppen in KZB und RZB auftreten. Die Anzahl an vierfach koordinierten Bor-Ionen (N4) sinkt mit zunehmendem Alkaliionenradius. Die Verringerung von N4 führt zu einer niedrigeren Glasübergangstemperatur in der Reihe LZB (472 °C) < NZB (465 °C) < KZB (460 °C) < RZB (449 °C).
Zur Herstellung der Pasten wurde kommerzielles Silber-Pulver mit 30 Vol.-% Glas und Organik gemischt. Das Sinterverhalten der gepressten Pulver wurde mittels Erhitzungsmikrospie untersucht. Der Sinterbeginn der Pasten ist vergleichbar und korrespondiert mit den geringen Unterschieden der Viskosität bei vergleichbarer Partikelgröße der Gläser. In den Ag-KZB- und Ag-RZB-Pasten ist die Schwindung durch die stärker einsetzende Kristallisation im Vergleich zu LZB und NZB verzögert.
Die Werkstoffklassen
(2020)
Es werden die vier Werkstoffklassen Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe sowie ihre Untergruppen vorgestellt. Die metallischen Werkstoffe umfassen die Eisen- wie die Nichteisenwerkstoffe und ihre Legierungen. Neben den Ingenieurkeramiken werden auch Glas und Glaskeramik, Naturstoffe und Erdstoffe sowie Baustoffe behandelt.
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.
Im Projekt GlasDigital sollen digitale Werkzeuge für die Hochdurchsatzentwicklung neuartiger Glaswerkstoffe erarbeitet werden. Dies soll durch die Kombination robotischer Syntheseverfahren mit selbstlernenden Maschinen und ihre Einbindung in eine Ontologie-basierte digitale Infrastruktur realisiert werden.
GlasDigital
(2023)