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Faszination Technik Oxidglas mit bisher unerreichter Bruchfestigkeit

Quelle: Universität Bayreuth 2 min Lesedauer

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In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir Konstrukteuren jede Woche beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: wie die Parakristallisation von Aluminosilikatglas unter hohen Drücken und Temperaturen zu extrem bruchfesten Gläsern führt.

Forscher der Universität Bayreuth haben dem Oxidglas eine neue, kristallähnliche Struktur gegeben. Simulierte Struktur von glasartigem (li.) und parakristallinem (re.) Grossular, einem Silikat. Die Atome der Elemente O, Si, Al und Ca (von klein bis groß) sind desto heller eingefärbt, je höher der Grad der Ordnung in der umgebenden Struktur ist.(Bild: Hu Tang)
Forscher der Universität Bayreuth haben dem Oxidglas eine neue, kristallähnliche Struktur gegeben. Simulierte Struktur von glasartigem (li.) und parakristallinem (re.) Grossular, einem Silikat. Die Atome der Elemente O, Si, Al und Ca (von klein bis groß) sind desto heller eingefärbt, je höher der Grad der Ordnung in der umgebenden Struktur ist.
(Bild: Hu Tang)

Glas ist in vieler Hinsicht ein attraktiver Werkstoff für moderne Technologien. Allerdings schränkt seine Sprödigkeit, die leicht zu Rissen und Brüchen führt, seine Anwendungsmöglichkeiten ein. Forschungsansätze mit der Absicht, die Bruchfestigkeit von Glas unter Beibehaltung seiner vorteilhaften Eigenschaften stark zu erhöhen, haben bisher größtenteils nicht die gewünschten Ergebnisse gebracht.

Forscher der Universität Bayreuth haben nun gemeinsam mit Partnern in China und den USA ein Glas mit bisher unerreichter Bruchfestigkeit hergestellt. Der in „Nature Materials“ vorgestellte neue Ansatz geht von Oxidgläsern aus, die eine eher ungeordnete innere Struktur aufweisen. Sie zählen zu den am häufigsten kommerziell genutzten Glasmaterialien. Am Beispiel eines Aluminosilikatglases, das Silizium, Aluminium, Bor und Sauerstoff enthält, ist es dem Forscherteam gelungen, dem Oxidglas eine neue Struktur zu geben. Dazu nutzten sie Hochdruck- und Hochtemperaturtechnologien am Bayerischen Geoinstitut (BGI) der Universität Bayreuth.

Parakristallisation unter hohen Drücken und Temperaturen

Wie die Universität Bayreuth mittelt, gruppierten sich bei einem Druck zwischen 10 und 15 Gigapascal und einer Temperatur von etwa 1.000 Grad Celsius die Silizium-, Aluminium-, Bor- und Sauerstoffatome zu kristallähnlichen Strukturen. Diese Strukturen werden als "parakristallin" bezeichnet, weil sie sich deutlich von einer völlig unregelmäßigen Struktur unterscheiden, aber nicht die völlig regelmäßige Struktur von Kristallen haben. Sowohl empirische Analysen mit Hilfe spektroskopischer Techniken als auch theoretische Berechnungen zeigten deutlich diesen Zwischenzustand zwischen Kristallstrukturen und amorpher Unregelmäßigkeit. Selbst nach einem Druck- und Temperaturabfall auf normale Umgebungsbedingungen bleiben die parakristallinen Strukturen im Aluminosilikatglas erhalten.

Die Durchdringung des Glases mit diesen Strukturen führt dazu, dass die Bruchfestigkeit um ein Vielfaches höher ist. Sie erreicht einen Wert von bis zu 1,99 ± 0,06 MPa(m)1/2. Dies sei eine nie zuvor für Oxidgläser gemessene Bruchfestigkeit. Gleichzeitig werde die Transparenz des Glases durch die parakristallinen Strukturen nicht ernsthaft beeinträchtigt.

Parakristalline Strukturen fangen einwirkende Kräfte auf

Die außergewöhnliche Festigkeit des Glases erklären die Forscher damit, dass von außen auf das Glas einwirkende Kräfte, die normalerweise zu Brüchen oder inneren Rissen führen würden, sich vor allem gegen die parakristallinen Strukturen richten. Sie lösen Teilbereiche dieser Strukturen auf und überführen sie wieder in einen amorphen, zufälligen Zustand. Auf diese Weise erhält das Glas insgesamt eine größere innere Plastizität, so dass es nicht bricht oder reißt, wenn es von außen sehr starken Kräften ausgesetzt ist.

Zur Originalpublikation in der Fachzeitschrift „Nature Materials“

(ID:49659846)

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