This post is also available in: Engels Frans Duits Italiaans Pools Portugees, Portugal Spaans

Glaskeramische materialen werden voor het eerst ontwikkeld bij de Corning Glass Works en delen eigenschappen van zowel het moederglasmateriaal als de polykristallijne materialen. In dit artikel bekijken we hoe ze verschillen van glasmaterialen, hoe ze worden geproduceerd, enkele typische composities en hun toepassingen.

Glas materialen

Als we aan glasmaterialen denken, denken we vaak aan ramen in gebouwen, huizen en transport. Hoewel dit waar is, bestaan er veel verschillende soorten glazen, met verschillende samenstellingen.

Glasmaterialen zijn over het algemeen transparant en zeer broos (indien niet warmtebehandeld). De transparantie is een gevolg van het ontbreken van korrelgrenzen en poriën in de structuur van het glas. Dit gebrek aan korrelgrenzen leidt ook tot de broosheid, omdat scheuren zich ongehinderd kunnen voortplanten.

Een ander kenmerk van glazen is hun gebrek aan orde in hun structuur, dwz de atomen en moleculen zijn willekeurig gerangschikt. Dit kan worden aangetoond in een röntgendiffractie (XRD) analyse, waarbij een glas geen duidelijk gedefinieerde pieken zal vertonen. Een kristallijn materiaal daarentegen vertoont orde in zijn structuur en zal over het algemeen goed gedefinieerde pieken produceren bij analyse met XRD.

Het gebrek aan kristalliniteit in hun structuur leidt ertoe dat ze amorf of glasachtig worden genoemd.

Glaskeramische materialen

Glaskeramische materialen hebben dezelfde chemische samenstelling als glas, maar verschillen van hen doordat ze typisch 95-98% kristallijn per volume zijn, met slechts een klein percentage glasachtig materiaal. De kristallen zelf zijn over het algemeen erg klein, minder dan 1 µm en meestal erg uniform van grootte. Bovendien zijn ze door hun kristalliniteit en netwerk van korrelgrenzen niet langer transparant.

Eigenschappen van glaskeramische materialen

Glaskeramische materialen worden doorgaans gekenmerkt door:

• Grote sterkte
• Hoge slagvastheid
• Lage thermische uitzettingscoëfficiënt, soms zelfs negatieve thermische uitzettingscoëfficiënt
• Goede weerstand tegen thermische schokken
• Een reeks optische eigenschappen, van doorschijnend tot ondoorzichtig en soms opalescentie.

Productie van glaskeramische materialen

Glaskeramische componenten worden gevormd met behulp van dezelfde processen die van toepassing zijn op glascomponenten. Om ze van een glasachtig glasmateriaal om te zetten in een kristallijn glaskeramisch materiaal, moeten ze een warmtebehandeling ondergaan of ontglaasd worden.

Ontglazing kan spontaan optreden tijdens koeling of in bedrijf, maar wordt meestal gebruikt om glaskeramiek te produceren. Het omvat het verhitten van het gevormde glasproduct tot een temperatuur die hoog genoeg is om kristallen te stimuleren om door het glas te kiemen. De temperatuur wordt vervolgens verhoogd, wat de groei van de kernen induceert, waardoor het resterende glas kristalliseert.

Nucleatie vereist een kritisch aantal atomen die samenkomen om een kern te vormen. Wanneer de kern de kritische grootte bereikt, vindt nucleatie plaats. In veel glassamenstellingen wordt kiemvorming belemmerd door het feit dat het materiaal op silica gebaseerd en zeer viskeus is, waardoor het moeilijk is voor de vereiste atomen om samen te komen. De kristalsamenstellingen kunnen ook complex zijn, waardoor nucleatie moeilijk wordt. Deze factoren helpen bij het vormen en koelen van glas zonder kristallisatie.

De ontglazingswarmtebehandeling moet zorgvuldig worden gecontroleerd om ervoor te zorgen dat het maximale aantal kernen wordt gevormd en dat deze kernen uitgroeien tot een uniforme fijne kristalstructuur. Om een hoge concentratie aan kernen door de hele structuur te verkrijgen, is het gebruikelijk om een kiemvormend middel aan de glassamenstelling toe te voegen.

Nucleatiemiddelen

De meest voorkomende kiemvormers zijn TiO ₂ en ZrO ₂ . Andere materialen die zijn gebruikt voor kiemvormende middelen zijn onder meer _P205 , _platinagroep en edelmetalen en sommige fluoriden.

Glaskeramische composities

Hoewel er veel verschillende samenstellingen van glaskeramiek bestaan, zijn er 3 hoofdfamilies:

• LAS – Een mengsel van lithium-, aluminium- en siliciumoxiden (Li ₂ O-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ), met andere glasvormende middelen (bijv. Na ₂ O, K ₂ O en CaO).
• MAS – Een mengsel van magnesium-, aluminium- en siliciumoxiden (MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) met glasvormende middelen
• ZAS – Een mengsel van zink-, aluminium- en siliciumoxiden (ZnO- Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) met glasvormende middelen

Toepassingen van glaskeramiek

Enkele toepassingen van glaskeramiek zijn:

• Radomes – gemaakt van Corning 9606 (2MgO.2 Al ₂ O ₃ , cordierietsysteem)
• Kookgerei, bakvormen en kookplaten – gemaakt van Corning 9608 (ß-spodumeensysteem)
• Telescopische spiegels – gemaakt van Owens-Illinois Cer-vit (ß-kwartssysteem)
• Isolatoren – gemaakt van General Electric Re-X (Li ₂ O.2SiO ₂ -systeem)
• Bioactief glas voor biomaterialen – Bioglass 45S5 (46,1 mol% SiO ₂ , 26,9 mol% CaO, 24,4 mol% Na ₂ O en 2,5 mol% P ₂ O ₅ ) is door de FDA goedgekeurd en er zijn veel verschillende variaties op deze samenstelling ontstaan.
• Technische componenten – gemaakt van Macor, een machinaal bewerkt glaskeramiek

Referenties

• Hoe worden glas, keramiek en glaskeramiek gedefinieerd? – IWT Wereldwijd
• Inleiding tot keramiek, tweede editie, Kingery WD, Bowen HK en Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
• The Science and Design of Engineering Materials, Schaffer JP et al, Richard D. Irwin Inc, 1995
• Moderne keramische techniek, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.

Bron