Kristallphasen mit hoher Wärmedehnung für kristallisierende Hochtemperatur-Glaslote

Kerstan, Marita

Die Motivation für diese Arbeit war die Optimierung des Ausdehnungsverhaltens von Fügeglaskeramiken für den Einsatz in Festelektrolyt-Brennstoffzellen und Hochtemperatur-Reaktoren, die eine hohe Wärmedehnung von Raumtemperatur bis 1000 °C erfordern. Hierfür wurden die richtungsabhängigen Wärmedehnungskoeffizienten (WDK) von verschiedenen Silicat- und Alumosilicat-Phasen mittels Hochtemperatur-RÖNTGENdiffraktometrie (HT-XRD) und Dilatometrie in diesem Temperaturbereich untersucht. Die apparativ aufwändigere und schwieriger auszuwertende HT-XRD liefert die für die Beurteilung der Wärmedehnung einer Kristallphase relevanteren richtungsabhängigen WDK ohne die Beeinflussung durch mechanische Effekte. Übereinstimmend zeigten beide Methoden für die Bariumsilicate die höchsten WDK im gesamten untersuchten Temperaturbereich. Noch größere WDK sind möglich, wenn ein sprunghafter Anstieg der Wärmedehnung auftritt, wie z. B. bei BaZn2Si2O7 bei etwa 300 °C bedingt durch eine Phasenumwandlung. Ausgehend von dieser Verbindung wurden zwei Mischkristallreihen mit Zn-Mg- und Zn-Co-Austausch hergestellt. In beiden Mischkristallreihen steigt die Temperatur der Phasenumwandlung und sinkt deren relative Volumenänderung mit steigendem Substitutionsgrad. Es wurden Bariumzinksilicat-Gläser mit gleichem SiO2-Gehalt und variierendem Verhältnis von BaO und ZnO hergestellt. Mit steigendem BaO-Gehalt können höhere WDK erreicht werden. Glaspulver verschiedener Kornfraktionen wurden gesintert und keramisiert. Die Glaskeramiken zeigen mit steigendem BaO-Gehalt größere und von den Keramisierungsbedingungen unabhängigere WDK. Dies kann auf den steigenden Anteil an BaSi2O5 zurückgeführt werden. Das Vorhandensein von BaZn2Si2O7 (steigend mit steigendem ZnO-Gehalt) wirkt sich ungünstig aus.

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Kerstan, Marita: Kristallphasen mit hoher Wärmedehnung für kristallisierende Hochtemperatur-Glaslote. 2015.

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