Untersuchung der Möglichkeiten zur Herstellung von Glaskeramikfasern. T. Go, G. Seide, T. Gries Werkstoffwoche Dresden,

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1 Untersuchung der Möglichkeiten zur Herstellung von Glaskeramikfasern T. Go, G. Seide, T. Gries Werkstoffwoche Dresden,

2 Motivation Keramikfasern? Glasfasern Hohe Temperaturbeständigkeit Nachteil: Begrenzte Temperaturbeständigkeit kristallin amorph Einsatzgebiete: Ceramic Matrix Composites Einsatzgebiet: Verbundbauteile (Thermoplasten) Nachteil: Preis (ab 500 /kg) Billig (1-2 /kg) 2

3 Gliederung Einleitung Kristallisation von Gläsern Versuche und Analysen Fazit und Ausblick 3

4 Gliederung Einleitung Kristallisation von Gläsern Versuche und Analysen Fazit und Ausblick 4

5 Einleitung Definitionen Glas: anorganisches, nichtmetallisches Material, das durch völliges Aufschmelzen einer Mischung von Rohmaterialien bei hohen Temperaturen erhalten wird, wobei eine homogene Flüssigkeit entsteht, die dann bis zum festen Zustand abgekühlt wird, üblicherweise ohne Kristallisation. [DIN ] Keramik: Keramische Werkstoffe sind anorganisch, nichtmetallisch, in Wasser schwer löslich und zu wenigstens 30 % kristallin. [Hen67] Glaskeramik: Glasart, die aus einer kristallinen und einer Rest-Glasphase besteht. Das Glas erhält man auf dem Weg über normale Glasfertigungsverfahren [ ]. Danach wird es einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch das Glas gesteuert zum Teil in eine feinkörnige, kristalline Phase umgewandelt wird. [DIN ] 5 [DIN ]: DIN Teil Glas Begriffe für Glasarten und Glasgruppen [Hen67]: Hennicke, H.W.: Zum Begriff Keramik und zur Einteilung keramischer Werkstoffe. Berichte d. Deutsch. Ker. Gesellschaft 44 (1967), S [DIN ] : DIN Glas im Bauwesen, Spezielle Basiserzeugnisse, Glaskeramik.

6 Einleitung Schmelzverhalten von Glas Kontinuierlicher Übergang von der flüssigen Phase zur festen Phase bei Glas, dadurch ist es nicht möglich einen eindeutigen Schmelzpunkt festzulegen Glasübergangstemperatur T g : Wärmekapazität c p weist einen Sprung auf Schmelzenthalpie H m : Energiemenge, die nötig ist, um einen Festkörper an seinem Schmelzpunkt isobar zu schmelzen Glasbildungsenthalpie H vit : Differenz zwischen Enthalpie des kristallinen Referenzzustandes und Glaszustand Enthalpie als Funktion der Temperatur [Con13] 6 [Con13]:Conradt, R.: Werkstoffverarbeitung Glas. Aachen, RWTH, Vorlesungsskript, 2013

7 Gliederung Einleitung Kristallisation von Gläsern Versuche und Analysen Fazit und Ausblick 7

8 Kristallisation von Gläsern Eigenschaften von Glaskeramiken Eigenschaften Mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen, Thermoschockbeständigkeit mechanische Festigkeit und chemische Beständigkeit, Stoß- und Abriebfestigkeit Nullausdehnung, Lichtdurchlässigkeit, gute Polierbarkeit Biokompatibilität, Abriebfestigkeit, mechanische Festigkeit Anwendungen Küchengeschirr, Heizplatten Verkleidungen, Fließen, Gefäße für geschmolzene Metalle und Salze optische Instrumente, Teleskopspiegel falsche Zähne und Füllungen, Knochenprothesen 8 [McM79]:McMillan, P.W.: Non-Metallic Solids: Glass-ceramics. Band Aufl. London, New York: Academic Press, 1979

9 Kristallisation in Gläsern Klassische Herstellung von Glaskeramiken a) Abkühlen aus der Schmelze b) Keimbildung: T KB ~ T g C c) Keimwachstum: T KW ~ T KB C d) Abkühlen Temperaturverlauf zur Kristallisation von Glas [Sac65] 9 [Sac65]: Sack, W.: Glas, Glaskeramik und Sinterglaskeramik. Chemie-Ing.-Techn. 37 (1965), H. 11, S

10 Kristallisation in Gläsern Glaskeramikfasern in der Literatur a) b) [Jon77] [YCW89] Glaskeramikfasern mit a) Starker Oberflächenkristallisation und amorphem Kern b) Gleichmäßig verteilten Kristalliten 10 [Jon77]: Jones, R.W.: The development and properties of glass-ceramic fibres, Coventry, University of Warwick, Dissertation, 1977 [YCW89]: Yuan, B.; Chen, Q.; Wang, M.: Crystallization and properties of Li-AI-B-Ti-Zn-silicate system glass-ceramic fibres. Journal of Materials Science 24 (1989), S

11 Gliederung Einleitung Kristallisation von Gläsern Versuche und Analysen Fazit und Ausblick 11

12 Versuche und Analysen Auslagerung der Fasern im Ofen a) Untersuchung von E-Glasfasern und Basaltfasern DSC-Messungen zur Feststellung T g Einstellung verschiedener Heizprofile Variation der Temperaturen Variation der Haltezeiten b) Einige Fasern verkleben zu hohe Temperatur Mikroskopieaufnahmen von a) Basalt- und b) Glasfasern 12

13 [cn/tex] Versuche und Analysen Mechanische Eigenschaften Einzelfaserzugversuche Viele Basaltfasern zu brüchig Feinheitsbezogene Kraft nimmt durch Wärmebehandlung stark ab Verlust von Schlichte Kristallite wirken wie Fehlstellen? feinheitsbezogenen Kraft F max unbehandelt behandelt Basalt Glas 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Dehnung ε [%] 13

14 Intensität I [a.u.] Versuche und Analysen Röntgenweitwinkelbeugung (WAXD) vorher Kristallisation von Basalt vorher WAXD = Wide Angle X-Ray Diffraction Beugung von Molybdän K α -Strahlung (λ = 0,71073 Å) an Faserproben nachher Strahldurchmesser d c = 500 µm Überprüfung, ob sich Kristallite gebildet haben nachher Beugungswinkel 2θ [ ] 14

15 Gliederung Einleitung Kristallisation von Gläsern Versuche und Analysen Fazit und Ausblick 15

16 Fazit und Ausblick Kristallisation von Glas- und Basaltfasern Kristallisation ohne Zerstörung der Faserintegrität möglich! Viele Fasern sehr brüchig??? Weitere Forschung nötig Nächste Schritte: Aufklärung der entstandenen kristallinen Strukturen Untersuchung des Einflusses von Schlichte Vielversprechender Ansatz für neue Materialen und Einsatzmöglichkeiten Herstellung eigener Fasern mit gewählter Zusammensetzung 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Teresa Go Institut für Textiltechnik Otto-Blumenthal-Str / Teresa.Go@ita.rwth-aachen.de