Struktur-Eigenschaftskorrelation anisotroper Gläser

Eine mechanisch oder thermisch induzierte Anisotropie in Gläsern kann indirekt optisch oder kalorimetrisch nachgeweisen werden, durch Messung der Doppelbrechung oder der in der Struktur gespeicherten Energie, die bei nachträglichem Tempern freigesetzt wird. Weitere Methoden wie die Elektronenspin- und kernmagnetische Resonanz können die Ausrichtung einzelner Punktdefekte bzw. eine anisometrische chemische Umgebung nachweisen.
Ziel des Projekts, in Kooperation mit Herrn Dr. L. Wondraczek (Corning European Center of Technology, Avon, Frankreich), ist die direkte Abbildung von anisotropen anorganischen Gläsern mit Hilfe des Rasterkraftmikroskops (AFM). So soll geklärt werden, auf welche Strukturelemente sich mechanisch induzierte Anisotropie auswirkt: Die Ortsauflösung des AFM reicht von der der Lichtmikroskopie bis hin zur atomaren Auflösung. In organischen Gläsern (Kunststoffen, z.B. Polyethylen) wurde sowohl die Ausrichtung von Fibrillen mit sub-µm-Auflösung als auch die Ausrichtung von Molekülketten mit sub-nm-Auflösung anhand von AFM-Aufnahmen abgebildet. Für anorganische Gläser fehlen solche Darstellungen bisher.
Metaphosphatgläser in den Systemen CaO - P₂O₅, MgO - CaO - P₂O₅ und Na₂O - Li₂O - P₂O₅ wurden zunächst in Kohlenstofftiegeln homogen erschmolzen, in Barrenform gegossen und spannungsfrei getempert. Anschließend wurden diese Barren über Tg erhitzt, unter Zugspannung gesetzt und mit dem Gewicht langsam (2 K/min) abgekühlt. Die Anisotropie wurde über DSC und Doppelbrechung quantifiziert. In den laufenden Arbeiten werden Abbildungen von Bruchflächen und polierten und geätzten Oberflächen erstellt.
Von technischer Bedeutung ist die Doppelbrechung z.B. für Glasfasern und Mikroröhrchen, bei denen während der Formgebung hohe Zugspannungen auftreten und nicht restlos relaxieren können.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kontakt: joachim.deubener@tu-clausthal.de

Konferenzbeiträge:

• F. Celarie, A. Dittmar, A. Peters, L. Wondraczek, J. Deubener:
  Sub-microstructure in anisotropic phosphate glass
  80. Glastechnische Tagung, Dresden, 2006

Quantifizierung der Grenzflächenspannung entmischter Gläser

Die Kenntnis der flüssig-flüssig Grenzflächenspannung in Gläsern ist für das Verständnis und die Steuerung von Entmischungsprozessen entscheidend und eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von neuartigen Gläsern mit mikro- und nano-strukturiertem Gefüge für Anwendungen in der Photonik, Bio- und Medizintechnik. Demgegenüber steht jedoch derzeit nur ein sehr eingeschränkter Kenntnisstand. Ziel des Forschungsvorhabens, in Kooperation mit Herrn Dr. L. Wondraczek (Corning European Center of Technology, Avon, Frankreich), ist deshalb die Bestimmung der flüssig-flüssig Grenzflächenspannung in Emulsionen aus entmischenden Glasschmelzen. Dazu werden in silicatischen und borosilicatischen Gläsern mechanisch induzierte und eingefrorene Verformungen binodaler Tröpfchengefüge geometrisch ausgewertet. Mit Hilfe strömungsmechanischer Kenngrößen erlaubt dies eine direkte Bestimmung der während der Verformung herrschenden flüssig-flüssig Grenzflächenspannung. Durch isotherme Versuche an Gläsern unterschiedlicher Ausgangszusammensetzungen innerhalb des binodalen Bereiches eines Systems und Untersuchungen an einer einzelnen Zusammensetzung bei verschiedenen Temperaturen sollen erstmals kompositionelle von thermischen Einflüssen auf die Grenzflächenspannung getrennt werden. Mit Hilfe dieser Ergebnisse sollen chemische Faktoren der Oxidkomponenten für die flüssig-flüssig Grenzflächenspannung ermittelt werden, die eine Berechnung aus der Zusammensetzung ermöglichen und die für eine spätere Modellierung verwendbar sind.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Kontakt: anne.dittmar@tu-clausthal.de

Veröffentlichungen:

• L. Wondraczek, J. Deubener, H. del Pozo, A. Habeck:
  Interfacial energy in phase-separated glasses from emulsion rheology
  J. Am Ceram. Soc. 88 (2005) 1673-1675

Konferenzbeiträge:

• A. Dittmar, L. Wondraczek, J. Deubener:
  Interfacial energy in phase-separated glasses from emulsion rheology
  ISNCS 2005, Maringá, Brazil, 2005

• A. Dittmar, L. Wondraczek, J. Deubener:
  Bestimmung der Grenzflächenspannung entmischter Gläser
  80. Glastechnische Tagung der DGG, Dresden, 2006

• A. Dittmar, L. Wondraczek, J. Deubener:
  Determination of the interfacial energy in phase-separated glasses from droplet deformation
  8^th Int. Otto Schott Colloquium, Jena, 2006

• A. Dittmar, L. Wondraczek, J. Deubener:
  Liquid-liquid interfacial energies in phase separating glasses
  8^th Int. Symp. Crystallisation in Glasses, Jackson Hole WY, USA, 2006

Echtzeit-Lasersensoren zur Optimierung industrieller Verbrennungsprozesse

Zur Optimierung industrieller Verbrennungsprozesse in Glasschmelzöfen ist die Bestimmung der Konzentration der beim Verbrennungsprozess entstehender Gase CO, CO₂ und NO_x in Echtzeit für eine aktive Regelung von großer Bedeutung. Konventionelle Systeme beruhen meist auf volumetrischen Messungen, welche eine Probenentnahme erfordern. Die entnommenen Gase können jedoch nach der Entnahme weiter miteinander reagieren, wodurch das Ergebnis beeinflusst wird. Eine Messung in Echtzeit ist auf diese Weise nicht möglich. Andere laserbasierende Systeme wiederum sind räumlich an die Brennkammer gebunden. Diese sind in der Lage die Gaskonzentrationen in Echtzeit zu erfassen und haben aufgrund der langen Wechselwirkungsstrecke des Lasers mit den Gasen den Vorteil einer hohen Sensitivität. Allerdings erlauben solche fest installierten Systeme keine Aussage über die Gasverteilung.
In Kooperation mit den Arbeitsgruppen von Prof. Dr. W. Schade (Institut für Physik und Physikalische Technologien, TU Clausthal), Dr. A. Scherello (Gas-Wärme-Institut, Essen) und Dr. U. Roger (Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie, Offenbach) wird ein Lasersystem eingesetzt, dass einen Evaneszenzfeldsensor bzw. einen Prismensensor verwendet, durch die es möglich ist, die Konzentration der Gase CO, CO₂ und NO_x ortsaufgelöst während des Verbrennungsprozesses in einem Glasschmelzofen unter Echtzeitbedingungen und mit hinreichender Genauigkeit zu messen.
Das Prismensensorkonzept erwies sich als geeignete technologische Variante für den Einsatz im Verbrennungsraum. Der Sensor ist aus einer Kombination aus wassergekühltem Edelstahl und Al2O3-Keramik gefertigt, deren gekühltes optisches Fenster mit Spülgas gegen Verrußung geschützt wird. Er eignet sich daher prinzipiell für den Einsatz bei Temperaturen bis zu 1600°C. Das Laserlicht wird über eine 40 cm lange freie Wegstrecke geleitet. Im Gegensatz zum Einsatz des Evaneszenzfeldsensors kommt es dadurch allerdings zu einem geringfügig höheren Signalrauschen. Die konstruktive Optimierung des Sensors wird zur Zeit weiter vorangetrieben.
Als mögliche Sensormaterialien wurden folgende hochtemperaturbeständige Oxide: Al₂O₃ (Saphir), MgO (Periklas), YAG (Yttrium-Aluminium-Granat) and YAP (Yttrium-Aluminium-Perowskit) ausgewählt und untersucht. Hochtemperatur-Transmissionsmessungen bei 1500°C wurden an Saphir und Periklas durchgeführt. Hierfür wurde ein spezieller experimentellen Aufbaus verwendet, dessen Komponenten aus einem Hochtemperatur-Rohrofen, einem Quantenkaskadenlaser und einem geeigneten IR-Detektor bestehen. Mit dieser Anordnung wurde eine für die Gasdetektion ausreichende Transmission von 20-30% bei 5,3 µm und 1500°C nachgewiesen. Die Wellenlänge 5,3 µm wurde ausgewählt, da sie für den Nachweis von NO_x verwendet werden soll. Zur Bestimmung möglicher Schädigungen des Sensors wurden die Korrosionstests über Glasschmelzen bei 1400°C und über Glasgemenge bei 1550°C durchgeführt. Die lichtmikroskopische und chemische Analyse stellt eine Kondensation von Verdampfungsprodukten (Alkalisilicate) an der Saphir- und YAG Kristalloberfläche fest, die jedoch mit verdünnter Flusssäure entfernt werden kann. Im Fall der Periklas- und YAP Exposition kommt es zu einer irreversible Schädigung der Kristalloberfläche (Sekundärkristallisation). Aufgrund des thermooptischen und thermochemischen Verhaltens und aus ökonomischen Gründen wird daher Saphir als Sensormaterial im Prismensensor eingesetzt.

Förderung: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V. (AiF)

Projektpartner:

Institut für Physik und Physikalische Technologien, TU Clausthal
Gas-Wärme-Institut, Essen
HVG, Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie, Offenbach

Kontakt: maria.ostafin@tu-clausthal.de

Konferenzbeiträge:

• C. Romano (V), S. Börner, M. Ostafin, J. Deubener, W. Schade:
  Real time laser sensor for active process control in glass furnaces
  8th Intern. Conf. on the Advances in Fusion and Processing of Glass, Dresden, 2006