Einfluss umweltfreundlicher Läutermittel auf Restglaseigenschaften und Kristallisationskinetik von Glaskeramiken

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Joachim Deubener; Dr. Peter Fielitz
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552468353

Die "Nebenwirkungen" der Umstellung von toxischen (Sb2O3/As2O3) auf umweltfreundliche Läutermittel (SnO2/CeO2) führen bei der Glaskeramikherstellung zu Qualitätseinbußen wie dem Rückgang der Transparenz aufgrund veränderter Mikrostukturentwicklung. Daraus folgt ein Verlust der Wettbewerbsfähigkeit deutscher Spezialglashersteller gegenüber außereuropäischen Anbietern mit geringeren Umweltstandards. Ziel des Projekts ist daher die Klärung des Einflusses der umweltfreundlichen Läutermittel SnO2 und CeO2 auf die Kristallisation von LAS-Glaskeramiken und auf die damit verbundene Entstehung einer Restglasschmelze. Der verfolgte Ansatz besteht darin, die in der Praxis im Volumen und auf der Nanoebene (Kristallitgrößen < 50 nm) ablaufenden Prozesse mittels Kristallisationsexperimenten an der Oberfläche von keimbildnerfreien Basisgläsern auf der Mikroebene (Kristallite >> 1 μm) zu simulieren. Aufgrund der geringen Anzahldichte der Kristalle an der Oberfläche bzw. des großen Abstandes zwischen ihnen können chemische Gradienten in der Restglasphase länger, d.h. bis zu größeren Konzentrationsunterschieden, in isothermen Versuchsreihen beobachtet oder zu höheren Kristallphasenanteilen (> 95 Vol.-%) entwickelt werden. Dadurch werden günstige Bedingungen geschaffen, die es ermöglichen, eine nicht-stationäre Kristallwachstumskinetik (aufgrund einer kontrollierenden langreichweitigen Diffusion) überhaupt zu erkennen. Zudem erlaubt der Ansatz, die chemische Zusammensetzung der Restglasschmelze aufgrund von validierbaren Annahmen über die Kristallstöchiometrie zu berechnen. Diese Restglasschmelze kann dann hergestellt werden, und es kann deren Viskosität vergleichend zur Kristallwachstumsgeschwindigkeit bzw. zur Diffusivität der netzwerkaufbauenden Elemente (Al, Si, O) betrachtet werden. Die gemeinsame Betrachtung der Mobilitäten der Läuterelemente (Sn, Ce) und der Hauptkomponenten (Si, Al, O) liefert den wesentlichen Schlüssel zum Verständnis der Mikrostrukturentwicklung. Bei unserem Ansatz wird daher die Diffusion der genannten Läuterelemente und Hauptkomponenten von "außen" initiiert, d.h. gesputterte Traceratomschichten werden in einer 2D-Geometrie als Quellen dieser Elemente aufgetragen, und es werden deren Mobilitäten senkrecht zur Oberfläche anhand von Diffusionsprofilen (Diffusionslängen >> 1 μm) gemessen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen