Sprödigkeit von Oxidgläsern : Einfluss von Bindung, Glasvorgeschichte und Umgebung

Striepe, Simon GND

Stärker schadenstolerante Gläser bezüglich Stoßen und Kratzen sind in den Anwendungsbereichen Display und Touchscreen zwingend erforderlich und stellen bei der Entwicklung von Gläsern eine große Herausforderung dar. Dabei steht vor allem das Verständnis über die Rissbildung und Rissausbreitung sowie die zugrunde liegenden Mechanismen und Parameter im Vordergrund zukünftiger Entwicklungen. Innerhalb dieser Arbeit wurden daher anhand von vier Fallbeispielen der Einfluss der Parameter fiktive Temperatur, fiktiver Druck, Bindungscharakter und Umgebungsbedingungen charakterisiert und evaluiert. Als zentrale Methode wurde die Vickersindentation gewählt, da aus den Eindrücken Informationen bezüglich Verformung (plastisch, elastisch) sowie unter höheren Lasten Rissgeneration und -propagation erhalten werden können. Im Mittelpunkt der Schadenstoleranz stand zunächst die Sprödigkeit der Gläser. Die Ergebnisse der Indentationsversuche bestätigten, dass unabhängig von der Glasvorgeschichte, Bindungsart oder Umgebung das freie Volumen bzw. die Dichte der Glasstruktur die Sprödigkeit maßgeblich beeinflusst. Offene Glasstrukturen erlauben ein gesteigertes Maß an Verdichtung bei äußerer Krafteinwirkung, was eine höhere Bruchresistenz nach sich zieht. Rasch abgekühlte Gläser zeigten aufgrund ihrer geringeren Dichte um bis zu 60% höhere Bruchwiderstände als die langzeit-getemperten Proben gleicher Zusammensetzung. Die Dichtezunahme infolge von Erschmelzen und Abkühlen unter Kompression führte hingegen zu einem verminderten Bruchwiderstand. Dieser Effekt war allerdings weitaus weniger wirkungsvoll. Den schwächsten Effekt auf die Schadenstoleranz zeigte die Änderung der Bindungsart. Neben der erhöhten Bruchresistenz führten diese offenen Strukturen in der Regel auch zu einer weniger starken Bindung, da eine Änderung der Bindungswinkel (fiktive Temperatur), Änderung der Koordinationslängen (fiktiver Druck) oder Depolymerisation (Bindungsart) stattfand, was in einer geringeren Härte (und E-Modul) resultierte. Als Konsequenz nahm die Sprödigkeit bei den strukturverdichtenden Prozessen Tempern und Kompression deutlich zu, wobei auch hierbei der thermische Effekt höher lag als der druck-induzierte Effekt (ca. 10%). Im Gegensatz dazu führte die Depolymerisation trotz Strukturverdichtung zu einer um etwa 5% abnehmenden Sprödigkeit. Allerdings geht eine Depolymerisation häufig einher mit einem instabileren Netzwerk, welches anfällig für Korrosion - vor allem gegenüber Wasser in der Atmosphäre - ist, und somit die Risspropagation erleichtert. Diese war neben der Glasstruktur und -chemie auch von den Umgebungsbedigungen d.h. dem Wasserdampfpartialdruck abhängig. In identischen Gläsern der MCAS-Reihe wurde der Bruchwiderstand um bis zu 60% durch Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100% gesenkt. Desweiteren zeigten Gläser dieser Reihe mit hoher fiktiver Temperatur eine größere Resistenz gegen unterkritisches Risswachstum und somit eine besser Korrosionsbeständigkeit. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit > 30% konnte zudem ein anormal schnelles Risswachstum aufgrund von Kapillarkondensation in der Rissspitze nachgewiesen werden. Die Stärke der Kondensation und die Wassersorptionsrate der Gläser zeigten wiederum eine starke Abhängigkeit von der Ionenbeweglichkeit der Netzwerkwandler. Diese waren in Li-Mg-Metaphosphaten bei einem Li/Mg-Verhältnis nahe 2:1 besonders gehemmt, was auf einen kooperativen Effekt (sog. Mischoxideffekt) zurückgeführt wurde. Da das Risswachstum stark von der Interaktion zwischen Glas und Wasser der Atmosphäre abhängt, wurde eine verringerte Risspropagation in Li-Mg-Mischgläsern festgestellt und mit dem Mischoxideffekt erklärt.

The demand on more damage-resistant glasses especially regarding display and touchscreen applications- has strongly been risen in the last few decades. Understanding crack generation and crack propagation and its limiting parameters is essential in developing more damage-resistant glasses. Thus, in this work the influence of fictive temperature, fictive pressure, bonding character and environment on micromechanical properties including brittleness, crack generation and crack propagation was analysed. Therefore the influence of fictive temperature, fictive pressure, bonding character and environment on micromechanical properties including brittleness, crack generation and crack propagation was analysed in this work analysed. Vickers indentation was used as main method, because the imprints give informations about elastic and plastic deformation and further about crack generation and crack propagation under higher loads. With the main focus on the glasses brittleness, indentation experiments revealed a general relationship between the free volume and the density, respectively independent from glass history, the bonding character and the environment. In glasses with open structures the amount of densification during loading increases, which leads to a higher crack resistance. Because of their lower density, quenched or fast cooled glasses exhibit an increase in crack resistance up to 60% in comparison to long-time annealed samples of the same chemical composition. Similar to that the increase in density due to compression experiments above the glass transformation temperature leads to a consequent decrease in crack resistance. Introducing components to the batch, which lead to a glass with more ionic bonding character and a higher density, the same trend as for the compressed glasses can be observed. However, the change in crack resistance in the two latter cases (compression and depolymerisation) is less pronounced than in the first described case (fictive temperature). Beside increasing crack resistance, the glasses with open structures exhibit a weaker bonding due to changes in bonding angles during thermal treatment (fictive temperature), changes in coordination or bonding lengths during compression (fictive pressure) or depolymerisation (bonding character), which all lead to a decrease in hardness (and Young’s modulus). Consequently brittleness was observed to increase during processes in which the structure was compacted. Similar to the crack resistance the effect in increasing brittleness was higher during thermal treatment (ca. 71%) than during compression (ca. 10%). Despite the observed increase in density, depolymerisation showed the opposite effect with a decrease in brittleness of about 5%. However, depolymerisation is frequently accompanied with increasing glass corrosion. Hence, the chemical resistance against water (water vapor from the atmosphere) is reduced, which also promotes crack propagation in the glass. Besides glass structure and chemistry crack propagation mainly depends on the environmental partial water vapor pressure. In glasses with identical chemical composition (glass series with different fictive temperatures) the crack resistance was reduced down to 60% only by changing the relative humidity from 0 to 100%. Further, glasses with a high fictive temperature show a higher resistance against subcritical crack growth and thus a better durability. In glasses with a more deliquescent character such as a lithium-magnesium-metaphosphate anomalous fast crack growth due to capillary condensation at the crack tip is detected in humid atmospheres with relative humidity > 30%. The amount of condensation and the water sorption rate of those glasses was found to depend on the mobility of network modifiers in the glass structure. The mobility of Li+ and Mg2+ is minimised near the Li to Mg ratio of 2:1, which can be explained with a mixed oxide effect. Since crack development depends on the interaction between glass and water coming from the atmosphere, a reduction of the crack propagation was found in mixed lithium-magnesium-metaphosphate glasses.

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Striepe, Simon: Sprödigkeit von Oxidgläsern : Einfluss von Bindung, Glasvorgeschichte und Umgebung. 2014.

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