Was ist eine Glaskeramik?
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Glaskeramikmaterialien wurden zuerst in den Corning Glass Works entwickelt und teilen Eigenschaften sowohl des Ausgangsglasmaterials als auch polykristalliner Materialien. In diesem Artikel betrachten wir, wie sie sich von Glasmaterialien unterscheiden, wie sie hergestellt werden, einige typische Zusammensetzungen und ihre Anwendungen.
Glasmaterialien
Wenn wir an Glasmaterialien denken, denken wir in der Regel an Fenster in Gebäuden, Häusern und Verkehrsmitteln. Obwohl dies zutrifft, gibt es viele verschiedene Arten von Gläsern mit unterschiedlichen Zusammensetzungen.
Glasmaterialien sind im Allgemeinen transparent und sehr spröde (wenn sie nicht wärmebehandelt sind). Die Transparenz entsteht durch das Fehlen von Korngrenzen und Poren in der Struktur des Glases. Dieses Fehlen von Korngrenzen führt auch zur Sprödigkeit, da sich Risse ungehindert ausbreiten können.
Ein weiteres Merkmal von Gläsern ist ihre Unordnung in ihrer Struktur, dh die Atome und Moleküle sind zufällig angeordnet. Dies kann in einer Röntgenbeugungsanalyse (XRD) nachgewiesen werden, bei der ein Glas keine klar definierten Peaks zeigt. Ein kristallines Material hingegen zeigt eine Ordnung in seiner Struktur und erzeugt im Allgemeinen gut definierte Peaks, wenn es durch XRD analysiert wird.
Der Mangel an Kristallinität in ihrer Struktur führt dazu, dass sie als amorph oder glasig bezeichnet werden.
Glaskeramische Werkstoffe
Glaskeramikmaterialien haben die gleichen chemischen Zusammensetzungen wie Gläser, unterscheiden sich von diesen jedoch dadurch, dass sie typischerweise zu 95–98 Vol.-% kristallin mit nur einem geringen Prozentsatz glasartig sind. Die Kristalle selbst sind im Allgemeinen sehr klein, weniger als 1 &mgr;m und meistens sehr einheitlich in der Größe. Außerdem sind sie aufgrund ihrer Kristallinität und ihres Korngrenzennetzwerks nicht mehr transparent.
Eigenschaften von Glaskeramikmaterialien
Glaskeramische Werkstoffe zeichnen sich typischerweise aus durch:
- Hohe Festigkeit
- Hohe Schlagfestigkeit
- Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, manchmal sogar negativer Wärmeausdehnungskoeffizient
- Gute Temperaturwechselbeständigkeit
- Eine Reihe von optischen Eigenschaften, von durchscheinend bis undurchsichtig und manchmal opaleszierend.
Herstellung von glaskeramischen Werkstoffen
Glaskeramikkomponenten werden unter Verwendung der gleichen Prozesse geformt, die auf Glaskomponenten anwendbar sind. Um sie von einem glasartigen Glasmaterial in ein kristallines Glaskeramikmaterial umzuwandeln, müssen sie wärmebehandelt oder entglast werden.
Die Entglasung kann spontan während des Abkühlens oder im Betrieb erfolgen, wird jedoch am häufigsten zur Herstellung von Glaskeramiken eingesetzt. Dabei wird das geformte Glasprodukt auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um die Kristallkeimbildung im gesamten Glas anzuregen. Die Temperatur wird dann erhöht, was das Wachstum der Keime induziert und das verbleibende Glas kristallisiert.
Keimbildung erfordert eine kritische Anzahl von Atomen, die zusammenlaufen, um einen Kern zu bilden. Wenn der Kern eine kritische Größe erreicht, tritt Keimbildung auf. Bei vielen Glaszusammensetzungen wird die Nukleation durch die Tatsache behindert, dass das Material auf Siliziumdioxid basiert und hochviskos ist, was es schwierig macht, dass die erforderlichen Atome zusammenkommen. Die Kristallzusammensetzungen können auch komplex sein, was die Keimbildung erschwert. Diese Faktoren unterstützen die Glasbildung und das Abkühlen ohne Kristallisation.
Die Entglasungswärmebehandlung muss sorgfältig gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die maximale Anzahl von Keimen gebildet wird und dass diese Keime zu einer gleichförmigen feinen Kristallstruktur wachsen. Um eine hohe Keimkonzentration in der gesamten Struktur zu erhalten, wird der Glaszusammensetzung üblicherweise ein Keimbildner zugesetzt.
Keimbildner
Die gebräuchlichsten Keimbildner sind TiO 2 und ZrO 2 . Andere Materialien, die für Nukleierungsmittel verwendet wurden, umfassen P 2 O 5 , Platingruppen- und Edelmetalle und einige Fluoride.
Glaskeramische Zusammensetzungen
Während viele verschiedene Glaskeramikzusammensetzungen existieren, gibt es 3 Hauptfamilien:
- LAS – Eine Mischung aus Lithium-, Aluminium- und Siliziumoxiden (Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 ) mit anderen Glasbildnern (z. B. Na 2 O, K 2 O und CaO).
- MAS – Eine Mischung aus Magnesium-, Aluminium- und Siliziumoxiden (MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 ) mit Glasbildnern
- ZAS – Eine Mischung aus Zink-, Aluminium- und Siliziumoxiden (ZnO-Al 2 O 3 -SiO 2 ) mit Glasbildnern
Anwendungen von Glaskeramik
Einige Anwendungen von Glaskeramik umfassen:
- Radome – hergestellt aus Corning 9606 (2MgO.2 Al 2 O 3 , Cordierit-System)
- Kochgeschirr, Backgeschirr und Kochfelder – hergestellt aus Corning 9608 (ß-Spodumen-System)
- Teleskopspiegel – hergestellt aus Owens-Illinois Cer-vit (ß-Quarz-System)
- Isolatoren – hergestellt aus General Electric Re-X (Li 2 O.2SiO 2 System)
- Bioaktives Glas für Biomaterialien – Bioglas 45S5 (46,1 Mol-% SiO 2 , 26,9 Mol-% CaO, 24,4 Mol-% Na 2 O und 2,5 Mol-% P 2 O 5 ) wurde von der FDA zugelassen, und viele verschiedene Variationen dieser Zusammensetzung haben sich ergeben.
- Technische Komponenten – aus Macor, einer bearbeitbaren Glaskeramik
Verweise
- Wie sind Glas, Keramik und Glaskeramik definiert? – Binnenschifffahrt weltweit
- Einführung in die Keramik, Zweite Ausgabe, Kingery WD, Bowen HK und Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
- The Science and Design of Engineering Materials, Schaffer JP et al., Richard D. Irwin Inc, 1995
- Moderne Keramiktechnik, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.
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