Nanostrukturbasierte Entwicklung von Glaskeramik

In einem gemeinsamen Projekt mit dem Otto-Schott-Institut der Universität Jena werden die komplexen, auf der Nanoskala ablaufenden Keimbildungsprozesse bei der Synthese von Nullausdehnungsglaskeramiken untersucht.

Glaskeramik
© Fraunhofer IMWS

Hochaufgelöst abgebildete Nanostruktur einer LAS-Glaskeramik: Aufwachsen eines LAS-Kristalls auf einen ZrTiO4-Keimkristal.

Lithiumalumosilicat (LAS)-Glaskeramiken finden als Nullausdehnungsmaterialien breiten Einsatz überall da, wo mit starken Temperaturschwankungen einhergehende Ausdehnungen  vermieden werden müssen. Ein prominentes Beispiel hierfür sind Glaskeramik-Kochfelder. Möglich wird die Nullausdehnung durch ein fein abgestimmtes Zusammenspiel spezieller kristalliner Ausscheidungen im Material mit dem sie umgebenden Glas. LAS-Kristalle können die aus der Alltagserfahrung ungewöhnliche Eigenschaft einer negativen thermischen

Ausdehnung aufweisen. Werden sie in einem Glas mit positiver thermischer Ausdehnung erzeugt, kann die Gesamtausdehnung des Verbundmaterials auch bei großen Temperaturschwankungen verschwindend sein. Die komplexen Kristallisationsprozesse, die bei der Herstellung solcher Materialien auftreten, sind allerdings nach wie vor nicht vollständig verstanden. Die gängigen Glaszusammensetzungen weisen zum Teil mehr als 15 wechselwirkende Komponenten auf. Gleichzeitig stellt die geringe Größe und Elektronenbestrahlungsempfindlichkeit der kristallinen Ausscheidungen, die sich typischerweise im Bereich von 3 – 30 nm bewegt, die Analyse vor hohe Anforderungen. Das DFG-Projekt in Zusammenarbeit mit der Universität Jena hat zum Ziel, ein breiteres Verständnis der ablaufenden Prozesse auf der Nanoskala zu schaffen, um die Entwicklung zukünftiger Glaskeramiken zu beschleunigen und deren Eigenschaften zu verbessern. Besonderes Augenmerk liegt auf der Rolle der Keimbildner – winziger Kristalle, meist aus ZrO2 oder TiO2 beziehungsweise einer Mischung dieser. Sie werden benötigt, um das Wachstum der gewünschten LAS-Phase mit einstellbarer Größenverteilung auszulösen. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes liegt in der Reduktion der Glaszusammensetzung auf möglichst wenige Komponenten, um die ablaufenden Kristallisationsprozesse an diesen Modellgläsern besser verstehen zu können. So konnte unter anderem gezeigt werden, dass sich auch aus vereinfachten Grundgläsern mit nur sechs Komponenten und einem Keimbildner die gewünschten LAS-Phasen bilden. Diese konnten erstmals elektronenmikroskopisch so hochaufgelöst abgebildet werden, dass es möglich wurde, die Orientierungsbeziehung zwischen Keimbildner und LAS-Kristall zu bewerten.