Gläser und Glaskeramiken im System MgO-Al2O3-SiO2 mit ZrO2 als Keimbildner

Dittmer, Marc GND

Im System MgO/Al2O3/SiO2 mit dem Keimbildner ZrO2 ist es möglich, farblose, transparente bis opake Glaskeramiken mit guten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Hierfür werden in diesem System der Spinell und der tief-Quarz ausgeschieden, die gegenüber der Restglasphase einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Bei vergleichbar niedrigen Kristallisationstemperaturen wird die hoch-Quarz-Mischkristallphase ausgeschieden, die durch den Einbau von MgO und Al2O3 in das Kristallgitter auch bei Raumtemperatur stabilisiert ist. Wird die Kristallisationstemperatur oder -zeit erhöht, nehmen die Konzentrationen an MgO und Al2O3 ab und führen somit zur Umwandlung in die tief-Quarz-Mischkristallphase. Die Transformationstemperatur der Glaskeramiken steigt mit steigender Kristallisationszeit bei 950 °C an. Somit bildet sich eine Diffusionsbarriere um die Kristalle, die ein weiteres Kristallwachstum verlangsamt. Die Umwandlung der hoch- in die tief-Quarz-Mischkristallphase führte zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. So konnte eine Festigkeit bis zu 475 MPa, ein E Modul bis zu 131 GPa, eine Mikrohärte bis zu 14,3 GPa und eine Bruchzähigkeit bis zu 2,7 MPa•m1/2 erreicht werden. Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten zu Beginn der Temperaturbehandlung erste Entmischungströpfchen, in deren Zentren sich ab Kristallisationszeiten von 15 Minuten jeweils ein ZrO2-Einkristall bildet. Bereits nach drei Stunden ist die Matrix weitgehend vollständig kristallisiert. Bei einer SiO2-reichen Zusammensetzung mit 4 Mol-% Y2O3-stabilisiertem ZrO2 führte eine Erhöhung der Kristallisationstemperatur nicht zu einer Umwandlung in die tief-Quarz-Mischkristallphase. Dagegen führte der Einsatz von monoklinem ZrO2 bei dieser Zusammensetzung zur Bildung der tief-Quarz-Mischkristallphase bei Erhöhung der Kristallisationstemperatur. Diese war im Vergleich zu den Zusammensetzungen mit ZrO2-Konzentrationen ≥ 5,7 Mol-% zu höheren Temperaturen verschoben.

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Dittmer, Marc: Gläser und Glaskeramiken im System MgO-Al2O3-SiO2 mit ZrO2 als Keimbildner. 2012.

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