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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.
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.
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.
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 Entwicklung von Wasserstoffbarrieren aus Glas erfordert die genaue Messung geringster H2-Permeabililtäten. Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass die VHE-Pulvermethode diesbezüglich eine besonders hohe Empfindlichkeit bietet. Hierbei wird die isotherme Gasabgabe aus sphärischen Partikeln im Rahmen klassischer Diffusionsmodelle gefittet und daraus der Diffusionskoeffizient bestimmt. Für die Untersuchung von Gläsern mit möglichst geringer H2-Permeabilität ist jedoch eine Validierung der Genauigkeit der Methode notwendig. Vor diesem Hintergrund erfolgte die numerische Modellierung der H2-Abgabe mit Hilfe des Programms COMSOL Multiphysics®. Im Poster wird der Einfluss der Korngrößenverteilung der Glaspulverpartikel, der Partikelform sowie der Effekt einer nichthomogenen H2-Startverteilung auf die mittels Pulvermethode ermittelten Diffusionskoeffizienten diskutiert.
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.