Glaskeramiken

1. Glaskeramiken Hauptseminar AC V Max Schwinger 29.01.13

2. Gliederung Was ist eine Glaskeramik? Historisches Herstellung Keimbildung Thermische Expansion Anwendungen

3. Was ist eine Glaskeramik? Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

4. Was ist eine Glaskeramik? • Es gibt viele verschiedene Systeme • ZAS-System (ZnO x Al2O3 x n SiO2) • LAS-System (Li2O x Al2O3 x n SiO2) • MAS-System (MgO x Al2O3 x n SiO2) • Chemische und biologische Beständigkeit • Lichtdurchlässig (Infrarotdurchlässig) • Mechanische Stabilität • Geringe Wärmeleitfähigkeit (1.46 W/mK) Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Hölandand George Beall, 2002

5. Historisches • Hummel entdeckt 1951 den Effekt der negativen thermischen Expansion • S.D. Stookey gelingt Mitte der 50er Jahre durch einen Zufall die Entdeckung der Glaskeramik • Versuch zur Herstellung einer Fotoform-Platte • Misslungen durch Überhitzung • Keine Schmelze entdeckt sondern ein weißes Material Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

6. Herstellung Quelle: http://www.materialarchiv.ch/detail/289#/detail/1344/quarzglas Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982 • Glas • Quarzsand (SiO2) • Schmelzen bei ca. 1450 °C • Zugabe von Soda da Schmelzpunkt sonst zu hoch • Kalk dient als Stabilisator • Keramik • Fest-Fest Reaktion • Pulver hoher Reinheit (Teilchengröße: 0.1 bis 0.005 µm) • Bsp.: Brennen von Ton

7. Herstellung Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu Glaskeramik

8. Herstellung  Rohstoffe werden bei ca. 1600 °C Aufgeschmolzen  Formgebung durch Abkühlen der Schmelze bis unter die Glasübergangstemperatur Herstellung eines unterkühlten Glases Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

9. Herstellung •  Temperaturerhöhung auf • ca. 100 – 150 °C über Tg • Keime bilden sich • (Keimbildner ZrO2 oder TiO2) • Kristallwachstum durch • weitere Erhöhung der • Temperatur (ca. 100 °C) Glaskeramik entsteht Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

10. Herstellung Einfluss eines Keimbildners: LAS System mit 0 wt.% TiO2 LAS System mit 7.5 wt.% TiO2 Quelle: Synthesis of negative thermal expansion TiO2-doped LAS substrates, G.-J. Sheu, 2005

11. Herstellung Quelle: Glaskeramik – Fundament für höchste Präzision, Thorsten Döhring, Photonik 2/2008

12. Keimbildung • Durch thermische Fluktuationen sowie • Mikrorisse im Material entstehen Embryonen • Wachsen bis zum kritischen Radius •  stabile Keime entstehen Freie Enthalpie: Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Hölandand George Beall, 2002 Untersuchungen zum Sinter- und Kristallisationsverhalten von Lithiumalumosilicat-Glaskeramiken, Jose Zimmer, 1997

13. Keimbildung - Kristallwachstum • Kristallwachstum nur möglich • wenn Überlappung der Keimbildungs- • und Kristallwachstumskurve • Höhe und Breite der Peaks ist abhängig • von der Übersättigung der Schmelze • (Viskosität) Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

14. Kristallwachstum Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

15. Thermische Expansion Federmodell: • Schwingung zwischen zwei Atomen: • durch elektrische Kräfte elastisch festgehalten • Atome können um Gleichgewichtslage schwingen • ,,Wärmebewegung“ • Höhere Temperaturen • größere Schwingungsenergie • größere Schwingungsamplitude Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

16. Thermische Expansion • Wenn Bindungskräfte im Kristallgitter linear wären (ideale Feder) •  mittlerer Abstand Rmit nicht von T abhängig •  symmetrischer Potentialverlauf • In Wirklichkeit existiert ein asymmetrischer Potentialverlauf •  R  ∞ , anziehende Kraft verschwindet •  R  0 , sehr große Abstoßung Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

17. Thermische Expansion Längenänderung: • Längenänderungen sind relativ klein (0.1% - 0.2% pro 100 K) • Längenänderung also abhängig von der Temperaturänderung • Erwärmung um ΔT Längenänderung um Δl Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

18. Thermische Expansion Volumenänderung: Quelle: http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf

19. Thermische Expansion • Voraussetzungen: • Keine dichteste Packung  offene Struktur • Verknüpfte Tetraeder/Oktaeder Quelle: Vorlesungsskript zum Modul AC III, Prof. Josef Breu

20. Thermische Expansion Anregungsenergie: Biegeschwingung Streckschwingung

21. Thermische Expansion Bsp.: β-Eukryptit (Model Palmer 1994) Quelle: Glass Ceramic Technology, Wolfram Höland and George Beall, 2002

22. Thermische Expansion Thermische Expansion am Beispiel ZERODUR®: http://www.schott.com/austria/german/download/zerodur_katalog_deutsch_2004.pdf

23. Anwendungen Küchengerätschaften Laborgeräte Teleskopspiegelträger Laserspiegel Dentaltechnik

24. Quellen • http://mitarbeiter.hs-heilbronn.de/~rauschn/5_Thermodynamik/Physik_5_2_Ausdehnung.pdf • http://www.materialarchiv.ch/detail/659/Glaskeramik#/detail/659/glaskeramik-siehe-ds-von-mr-hannes • Synthesis of negative thermal expansion TiO2-doped LAS substrates, G.-J. Sheu, 2005 • Microstructural Evolution in Some Silicate Glass Ceramics: A Review, Linda R. Pickney, 2007 • Negative thermal expansionmaterials, John S.O. Evans, 1999 • Nucleation an CrystalizationPhenomena in Glass-Ceramics, Wolfram Höland, 2001,3,No.10 • Glaskeramik – Fundament für höchste Präzision, Thorsten Döhring, 2/2008 • Glass-Ceramic Materials, Z. Strnad; Glass Science and Technology 8, 1986 • Keramik, Allgemeine Grundlagen und wichtige Eigenschaften Teil 1, Slamang und Scholze, 1982