5.6 Glas
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To understand the influence of water and alkalis on aluminosilicate glasses, three polymerized glasses with varying ratios of Na/K were synthesized [(22. 5-x)Na2O-xK2O-22.5 Al2O3-55 SiO2 with x = 0, 7.5, and 11.25]. Subsequently, these glasses were hydrated (up to 8 wt% H2O) in an internally heated gas pressure vessel. The density of hydrous glasses linearly decreased with water content above 1 wt%, consistent with the partial molar volume of H2O of 12 cm3/mol. Near-infrared spectroscopy revealed that hydroxyl groups are the dominant species at water content of <4 wt%, and molecular water becomes dominating at water content of >5 wt%. The fraction of OH is particularly high in the pure Na-bearing glass compared to the mixed alkali glasses. 27Al magic angle spinning-NMR spectroscopy shows that aluminum is exclusively fourfold coordinated with some variations in the local geometry. It appears that the local structure around Al becomes more ordered with increasing K/Na ratio. The incorporation of H2O reinforces this effect. The differential thermal analysis of hydrous glasses shows a significant mass loss in the range of glass transition already during the first upscan, implying the high mobility of water in the glasses. This observation can be explained by the open structure of the aluminosilicate network and by the low dissociation enthalpy of H2O in the glasses (≈ 8 kJ/mol). The effect of the dissolved H2O on the glass transition temperature is less pronounced than for other aluminosilicate glasses, probably because of the large fraction of Al in the glasses.
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.
Wasser in Silicatglas
(2018)
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.
The process of viscous flow sintering is a phenomenon that is closely linked to the surface properties of the glass particles. In this work, we studied the extreme case of acid-leaching of soda-lime-silicate glass beads of two different particle size distributions and its effects on non-isothermal viscous sintering of powder compacts. Depth profiling of the chemical composition after leaching revealed a near-surface layer depleted in alkali and alkaline earth ions, associated with concurrent hydration as mass loss was detected by thermogravimetry. Heating microscopy showed that acid treatment of glasses shifted the sinter curves to higher temperatures with increasing leaching time. Modelling of the shrinkage with the cluster model predicted a higher viscosity of the altered surface layer, while analysis of the time scales of mass transport of mobile species (Na+, Ca2+ and H2O) during isochronous sintering revealed that diffusion of Na+ can compensate for concentration gradients before sintering begins. Also, exchanged water species can diffuse out of the altered layer, but the depletion of Ca2+ in the altered surface layer persists during the sinter interval, resulting in a glass with higher viscosity, which causes sintering to slow down.
AbstractViscous healing of cracks induced by the Vickers indentation in a soda lime magnesium silicate, a soda borosilicate, and a soda aluminosilicate glass (NAS) was studied by laser scanning microscopy. Plots of the crack length, width, and depth normalized to the initial crack length versus time over viscosity merge into single master curves of each of these quantities for each glass. Despite glass properties do not differ strikingly from each other, however, these master curves strongly differ among the glasses. This finding was attributed to a different interplay of various crack healing phenomena. Lateral cracks were found to be responsible for the bulging of the sample surface around the Vickers imprint, which in turn promotes radial crack widening as the main cause of healing delay. The most rapid healing of lateral cracks was observed in NAS in which bulging and crack widening were least pronounced.
Viscous crack healing in soda–lime–magnesium–silicate–ZrO<sub>2</sub> glass matrix composites
(2024)
AbstractThe present study investigates the influence of the crystal volume content on viscous crack healing in glass ceramic glass sealants. To ensure constant microstructure during healing, soda–lime–magnesium silicate glass matrix composites with varied volume fractions of ZrO2 filler particles were used. Crack healing was studied on radial cracks induced by Vickers indentation, which were stepwise annealed to monitor the healing progress by confocal laser scanning microscopy. Confirming previous studies, healing of radial cracks in pure glass was found delayed by global flow phenomena like crack widening and crack edge and tip rounding to minimize the sample surface. With increasing ZrO2 filler content, these global flow phenomena were progressively inhibited whereas local flow phenomena like sharp crack tip healing could still occur. As a result, crack healing was even accelerated by filler particles up to a maximum filler content of 17 vol% whereas crack healing was fully suppressed only at 33 vol% filler content.
Der Vortrag gibt eine Einführung in die Methode der Vakuumheißextraktion und beschreibt die Anwendungsmöglichkeiten der an der BAMN betriebenen Anlage.