Horst Scholze. Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften. Dritte, neubearbeitete Auflage. Mit 168 Abbildungen

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2 Horst Scholze Glas Natur, Struktur und Eigenschaften Dritte, neubearbeitete Auflage Mit 168 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1988

3 Dr. rer. nato Horst Scholze ehern. Professor für Glas, Keramik und Bindemittel an der TU Berlin ehern. Leiter des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung, Würzburg Hon.-Professor an der Universität Würzburg ISBN ISBN (ebook) DOI / Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1988 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Softcover reprint ofthe hardcover 3rd edition 1988 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr fur Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen; Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der gültigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Mit einem System der Springer Produktions-Gesellschaft Gesamtherstellung: Brühlsche Universitätsdruckerei, Gießen 2160/ Gedruckt auf säurefreiem Papier

4 Aus dem Vorwort zur ersten Auflage Das Glas ist ein Stoff mit einer theoretisch unbegrenzten Vielfalt an Zusammensetzungsmöglichkeiten. Deshalb sind auch seine Eigenschaften sehr variabel, was dem Glas viele Anwendungsgebiete erschlossen hat und ständig neue eröffnet. Groß ist aber auch die Zahl der Veröffentlichungen über das Glas, wobei die Ansichten über bestimmte Probleme nicht immer übereinstimmen. Für jemanden, der sich in dieses Gebiet einarbeiten will, oder für einen Außenstehenden, der sich einen kurzen Überblick verschaffen will, bestehen deshalb beträchtliche Schwierigkeiten. Hier helfend einzugreifen ist das Ziel dieses Buches. Bei der Planung ergab sich aber bald, daß ein einheitliches Bild in dem begrenzten Rahmen eines solchen Buches nur durch eine Beschränkung auf die Grundlagen zu erreichen ist. Es war dazu erforderlich, sich nur auf die wichtigsten Komponenten zu beziehen und im Hinblick auf ein besseres Verständnis an einigen Stellen Vereinfachungen vorzunehmen, obwohl unsere Kenntnisse schon weiter fortgeschritten sind. An wenigen anderen Stellen wurde jedoch bewußt über die Grundlagen hinausgegangen, um zu zeigen, wie interessant das Glas ist und wo noch offene Probleme liegen. Der Verfasser will mit diesem Buch nicht nur Glasfachleute und solche, die es werden wollen, ansprechen, sondern hofft, daß es auch Wissenschaftlern und Praktikern anderer Fachrichtungen eine Hilfe sein möge, dem Glas mit seinen Eigenschaften und Eigenarten näher zu kommen. Berlin, Dezember 1964 H. SCHOLZE

5 Vorwort zur dritten Auflage Der Verfasser dankt den Lesern und Benutzern, daß sie nach der ersten auch die zweite Auflage dieses Buches freundlich aufgenommen haben und daß die schwierige Auswahl zwischen Grundlagen, praktischen Eigenschaften, Meßmethoden und angeführter Literatur meist gutgeheißen wurde. Wie bereits im vorstehenden Vorwort zur ersten Auflage angeführt, ist es das Anliegen dieses Buches, durch eine verständliche, d. h. einfache und daher z. T. vereinfachende Darstellung zum Verständnis des Glases und seiner Eigenschaften beizutragen. Durch die Angaben von Daten und den Hinweis auf Methoden soll es den praktischen Umgang mit dem Glas erleichtern. Ein relativ ausführliches Literaturverzeichnis weist auf Vertiefungsmöglichkeiten hin; dem Verlag sei für die Gewährung dieser Ausführlichkeit besonders gedankt. Trotzdem war es notwendig, viele Zitate der ersten beiden Auflagen wegzulassen; übernommen wurden vorwiegend solche Zitate, die wesentliche Ergebnisse bringen bzw. aus denen man noch mehr lernen kann. Den Querverbindungen innerhalb des Buches dienen sowohl entsprechende Hinweise als auch ein aufgeschlüsseltes Sachverzeichnis. Auch in den letzten reichlich 10 Jahren seit Erscheinen der zweiten Auflage hat die Zahl der Veröffentlichungen über das Glas stark zugenommen, wesentliche Fortschritte zum Verständnis des Glases und seiner Anwendungen wurden erzielt. Der Verfasser bittet um Verzeihung, wenn er einige der neuen Arbeiten nicht zitiert oder übersehen hat; es mußte eine Auswahl getroffen werden, um im Rahmen eines Buches bleiben zu können. Das Schwergewicht liegt nach wie vor beim Verhalten der herkömmlichen Gläser, doch wird versucht, im Abschnitt über spezielle Glasstrukturen den neuen Glastypen gerecht zu werden. Besonders eingegangen wird auch auf moderne Entwicklungen bei einigen optischen und chemischen Eigenschaften. Neue Abschnitte behandeln die Grundlagen von Glasoberflächen und die nicht konventionelle Herstellung nach dem Sol-Gel-Prozeß. So hofft der Verfasser, daß es ihm gelungen ist, dieses Buch dem modernen Kenntnisstand anzupassen. Das Schrifttum bis Ende 1987 wurde nach Möglichkeit berücksichtigt. Nach Rücksprache mit dem Verlag wurden die bewährten Einheiten Gew.-% und Mol-% noch beibehalten. Abschließend dankt der Verfasser dem Verlag, daß er sich seinen Vorstellungen gegenüber immer aufgeschlossen gezeigt hat. Er dankt auch der Fraunhofer Gesellschaft, daß sie ihm ermöglicht hat, an seiner früheren Wirkungsstätte weiterhin an diesem Buch zu arbeiten. Ein besonderer Dank gilt seiner Frau, ohne deren kritische, sachkundige und unermüdliche Mitwirkung diese Arbeit nicht zu schaffen gewesen wäre. Würzburg, Juli 1988 H. SCHOLZE

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Natur und Struktur des Glases. 2.1 Definition von Glas. 2.2 Netzwerkhypothese Struktur der Schmelze Auswertung von Phasendiagrammen - Aktivitäten Auswertung sonstiger Messungen Entmischung Azidität - Basizität Kinetik der Bildung flüssiger und fester Phasen Grundlagen der Viskosität Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Zeit Schmelzvorgang Kristallisation Keimbildung Kristallisationsgeschwindigkeit Gezielte Kristallisation Glasbildung - kinetisch betrachtet Sol-Gel-Prozeß Glasstruktur Thermodynamische Betrachtung Untersuchungsmethoden Bindungsverhältnisse Bindungsverhältnisse beim SiOz Zahlenmäßige Erfassung Glasbildung - bindungsmäßig betrachtet Weitere Hypothesen zur Glasstruktur und Glasbildung Idealglas - Realglas Glasig - amorph Glasoberfläche Spezielle Glasstrukturen Oxidische Gläser Einkomponentengläser Einfluß von RzO Einfluß von RO Einfluß von R Z0 3 und Gläser auf Rz0 3-Basis Einfluß von ROz bzw. R 20 S und Gläser auf deren Basis Oxogläser Einfluß anderer Anionen Nichtoxidische Gläser Halogenid-, insbesondere Fluoridgläser Chalcogenidgläser Metallische Gläser Kohlenstoftbaltige Gläser

7 x Inhaltsverzeichnis 3 Eigenschaften des Glases 3.1 Viskosität Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte. 3.2 Wärmedehnung Meßmethoden Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte. 3.3 Dichte Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur - Dichten von Glasschmelzen Abhängigkeit von der Vorgeschichte. 3.4 Optische Eigenschaften Lichtbrechung Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Vorgeschichte Lichtdurchlässigkeit Meßmethoden Durchlässigkeit im ultravioletten Bereich Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich Durchlässigkeit im infraroten Bereich Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Vorgeschichte Besondere Entwicklungen 3.5 Mechanische Eigenschaften Elastische Eigenschaften Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Verdichtung Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Vorgeschichte Festigkeit Theoretische Festigkeit Praktische Festigkeit Vorgänge beim Bruch - Bruchmechanik Ermüdung - Lebensdauer Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte Verbesserung der Festigkeit Meßmethoden Spannungen Doppelbrechung Abhängigkeit von der Zeit - Kühlung Härte Verformungsmechanismen Meßmethoden

8 Inhaltsverzeichnis XI Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Vorgeschichte Schleifhärte Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur - Verhalten von Glasschmelzen Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte Gläser mit besonderen elektrischen Eigenschaften Dielektrische Eigenschaften Meßmethoden Abhängigkeit von der Temperatur und der Frequenz Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte Oberflächenspannung Meßmethoden Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur Chemische Beständigkeit Grundlegende Reaktionen Meßmethoden Meßergebnisse Mechanismen Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Vorgeschichte Gläser mit besonderen chemischen Eigenschaften Glaselektroden Flußsäurebeständige Gläser Alkalibeständige Gläser Gläser für Natriumdampf-Lampen Gläser zum Lagern von radioaktivem Abfall Gläser mit eingestellter Auflösungsgeschwindigkeit Thermische Eigenschaften Spezifische Wärme Meßmethoden Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung Abhängigkeit von der Vorgeschichte Wärmetransport Meßmethoden Abhängigkeit von der Temperatur Abhängigkeit von der Zusammensetzung Berechnung aus der Zusammensetzung 338 Literaturverzeichnis 340 Autorenverzeichnis. 381 Sachverzeichnis.. 389