Alumosilicatkristallisation in Glaskeramiken: Grenzflächenprozesse und Diffusion der Hauptkomponenten

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Deubener; Dr. Peter Fielitz
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 424949604

Alumosilicat-Glaskeramiken sind funktionelle Materialien, die in verschiedenen Bereichen heutiger Schlüsseltechnologien beheimatet sind. Ihre Leistungsfähigkeit beruht auf dem Zusammenspiel einzigartiger thermischer, optischer und mechanischer Eigenschaften, die durch die Katalyse der Kristallisation von Alumosilicat-Mischkristallen mit Keimbildnern (NA) der Strukturen Srilankit, Pyrochlor und Tohdit maßgeschneidert werden können. Ein diesbezüglicher Engpass ist das Fehlen eines grundlegenden Verständnisses der geschwindigkeitbestimmenden Grenzflächen- und Diffusionsprozesse der heterogenen Keimbildung und daraus empirisch geleiteter Materialentwicklung. So wird auf der einen Seite über einen grenzflächendominierten epitaxialen Mechanismus berichtet, auf der anderen Seite ist ein chemischer Al-Gradient in unmittelbarer Nähe des Keimbildners nachgewiesen worden.Basierend auf isothermen Experimenten (Tracerisotope/SIMS und GIXRD bzw. HT-GIXR) an mit NA beschichteten Grüngläsern aus markierten Hauptelementen (O-, Si-, Al-, Li-, K-, Sr-Tracer), die erstmals eine simultane Bestimmung von chemischen und strukturellen Gradienten sowie eventuellen mechanischen Spannungen an der Grenzfläche NA/Alumosilicat mit nanometrischer Auflösung (SIMS) ermöglichen, soll ein vollständiger kinetischer Datensatz generiert werden, der die Selbstdiffusion der Hauptelemente im Glas, die Diffusion durch die flüssig/kristalline Phasengrenze beim Wachstum der Kristalle und die Keimbildungsraten an der NA-Grenzfläche bzw. Kristallwachstumsraten senkrecht zur Grenzfläche beinhaltet. Durch Auswahl von verschiedenen NA-Beschichtungen, d.h. Al-arm: Srilankit-Mischkristall und Al-reich: Pyrochlor- und Tohdit-Mischkristall soll im Speziellen auf die Rolle des Aluminiums und der Ausbildung von Grenzflächenkonzentrationsprofilen bei der Kristallisation eingegangen werden. Daraus sollen grundlegende Erkenntnisse zum heterogenen Keimbildungsmechanismus der Alumosilicate in Glaskeramiken gewonnen werden, die in eine numerische Modellierung der Prozesse einfließen. Ergebnisse dieser Rechnungen werden helfen, die Vorhersage von Gefüge-Eigenschafts-Korrelationen in Alumosilicat-Glaskeramiken nachhaltig zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen