Herstellung und Analyse von Spezialgläsern mit Hilfe von Siliziumdioxidnanokompositen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Frederik Kotz
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 455798326

Glas ist eine der wichtigsten Materialklassen für Wissenschaft und Industrie. Die am häufigsten verwendeten Gläser, die Silikatgläser, bestehen aus Siliziumdioxid und beigemischten „Dotierungsmitteln“ welche die Eigenschaften der Gläser wie Schmelztemperatur, thermische Ausdehnung und Brechungsindex verändern können. Solche Mehrkomponentengläser werden als Spezialgläser bezeichnet. Die größten Herausforderungen im Bereich der Spezialgläser sind die homogene Verteilung von Dotierungsmitteln und die Formgebung, vor allem auf der Mikroebene. Die systematische Untersuchung von neuen Glasmischungen ist schwierig, da jede Pulvermischung einzeln angesetzt, geschmolzen und kontrolliert gekühlt werden muss - die Erforschung der Einflüsse von Dotierungsmitteln ist daher oft sehr aufwändig. Ich habe im Bereich Glasforschung den Glassomer Prozess entwickelt, dieser basiert auf der Herstellung von Siliziumdioxid Nanokompositen, welche durch Polymerisation formbar sind. Die Nanokomposite lassen sich durch Entbinderung zu Braunlingen (poröse Pulverformkörper) umsetzen und anschließend zu hochreinem Quarzglas sintern. Dieser Prozess ist jedoch bislang auf Quarzglas beschränkt. Durch die weitreichenden analytischen Möglichkeiten in den einzelnen Prozessschritten, die Möglichkeit zur Formgebung (z.B. mittels hochaufgelöstem 3D-Druck) und die geringeren Temperaturen beim Sintern machen diesen Prozess aber auch für die Herstellung von Spezialgläsern interessant.In diesem Projekt wird das Verhalten von Dotierungsmitteln bei der Sinterung von Gläsern untersucht, wobei die Verteilung der Dotierungsmittel vor und nach dem Sintern von besonderem Interesse ist. Basierend auf dem Glassomer Prozess wird eine neue Methode entwickelt, um die Dotierungsmittel (Al2O3, B2O3, TiO2) ins Glas einzubringen: einerseits durch Herstellung von modifizierten Nanopartikeln, durch die Einbringung in den porösen Braunling oder die Modifizierung der Bindermatrix. Die Ionenverteilung im Braunling und im fertigen Glas, sowie die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften der so hergestellten Spezialgläser werden analysiert und verglichen, um die Verteilung der Dotierungsmittel und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Glaseigenschaften zu untersuchen. Die gewonnenen Daten werden außerdem mit Daten aus etablierten Verfahren der Glasherstellung verglichen. Das Projekt wird einen wichtigen Beitrag zum Verständnis des Einflusses von Dotierungsmitteln auf Glaseigenschaften leisten und die Optimierung von Glasmischungen hinsichtlich Dotierungskonzentration und Sinterverhalten ermöglichen. Die durch die Bindermatrix ermöglichten vielfältigen Möglichkeiten zur Formgebung werden im Rahmen dieses Projektes außerdem genutzt, um die Herstellung von Mikrostrukturen aus Spezialglas zu ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen