Mikrostruktur und Stabilität von Nanogläsern

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten Albe; Professor Dr.-Ing. Horst Hahn
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 30799144

Seit der Entdeckung der metallischen Gläser durch Pol Duwez im Jahr 1960 ist ein wesentlicher Teil der Glasforschung darauf konzentriert, Legierungszusammensetzungen zu finden, die bei möglichst geringen Abkühlgeschwindigkeiten die Herstellung metallischer Gläser ermöglichen. Diese Entwicklungstendenz öffnete (1990 W. L. Johnson, A. Inoue) den Weg zu den so genannten bulk metallic glasses , die bei Abkühlraten von 1¿100°C/s in Dicken von mehreren Zentimetern produzierbar sind. Die grundlegende Idee dieses Antrags ist es, das spezifische Volumen und somit auch das Exzess-Volumen von metallischen Gläsern gezielt zu vergrößern. In Analogie zu nanokristallinen Stoffen sollen Gläser synthetisiert werden, deren Mikrostruktur aus nanometergroßen Glasbereichen besteht, die über Glas/Glas-Grenzflächen miteinander verbunden sind. In diesen Glas/Glas-Grenzflächen liegt (ähnlich wie in Grenzflächen zwischen unterschiedlich orientierten Kristallen) eine im Vergleich zur Struktur im Inneren der nanometergroßen Glasbereiche veränderte Atomanordnung vor. Diese Bereiche sind daher durch ein vergrößertes Exzess-Volumen charakterisiert. Der Einbau von Glas/Glas-Grenzflächen in metallische Gläser soll entweder durch das Zusammenfügen nanoskaliger metallischer Glasblöckchen realisiert werden oder dadurch, dass ein schmelzgesponnenes metallisches Glas oder Massivglas bei tiefer Temperatur sehr stark plastisch verformt wird. Diese Verformung erzeugt in dem metallischen Glas eine hohe Dichte von Scherbändern, in denen ein vergrößertes Exzess- Volumen vorliegt. Gläser mit einer Mikrostruktur bestehend aus nanometergroßen Glasbereichen, verbunden durch Glas/Glas-Grenzflächen mit einem vergrößerten Exzess- Volumen, werden hier als Nanogläser bezeichnet. Da das Exzess-Volumen insbesondere als freies Volumen für viele Glaseigenschaften wichtig ist und sogar eigenschaftsbestimmend sein kann, ist zu erwarten, dass solche Nanogläser aufgrund ihrer veränderten Atomstruktur neuartige Eigenschaften besitzen. Durch Variation der Größe der Glasbereiche sollten sich die Erhöhung des Exzess-Volumens und damit die Atomstruktur sowie die Eigenschaften gezielt einstellen lassen. Die räumliche Verteilung des Exzess-Volumens sollte davon abhängen, welche Wärmebehandlung die Nanogläser nach ihrer Herstellung (durch Zusammenfügen bzw. Verformen) erfahren. Es ist zu erwarten, dass das zunächst auf die Grenzfläche lokalisierte Exzess-Volumen mit zunehmender Anlasszeit räumlich delokalisiert und daher die Atomstruktur der umgebenden Glasbereiche (und deren Eigenschaften) verändert. Dieser Vorgang ist analog zur Delokalisation einer Dichtefluktuation in einer Flüssigkeit. Die Delokalisation scheint den Weg zur Erzeugung von Glasstukturen zu öffnen, die mit den gegenwärtig verfügbaren Herstellungsmethoden nicht erzeugbar sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Professor Dr. Herbert Gleiter