Einfluss der Gefügeentwicklung auf die Kratzempfindlichkeit von Glaskeramiken im System MgO-Al2O3-SiO2 und Li2O-SiO2

Hota, Belma

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der Kratzempfindlichkeit von Glaskeramiken. Kratzer auf Glaskeramikoberflächen können sowohl festigkeitsmindernd wirken, wenn mediane Risse direkt unterhalb der Kratzerspur in die Mitte des Materials führen, als auch zu einer optischen Beeinträchtigung beitragen, wenn laterale Risse parallel zur Oberfläche wachsen und die Kratzerflanken ausmuscheln. In dieser Arbeit wird der Fokus auf die optische Beeinträchtigung gelegt. Im Vordergrund steht daher der Einfluss der wachsenden Kristallphasenanteile während der Keramisierung und der damit einhergehenden Änderung der Material-, mechanischen Eigenschaften sowie der Eigenspannung in der Glaskeramik. Es wird gezeigt, inwiefern der Verlauf lateraler Risse durch das Gefüge der Glaskeramik beeinflusst bzw. kontrolliert werden kann. Untersucht wurden Glaskeramiken des Systems MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) in denen eine große Bandbreite von verschiedenen Kristallphasen wie Spinell, Sapphirin, Indialith, Mullit und Kristallphasenanteilen ausgeschieden werden können, die zu chemisch unterschiedlichen Restglasmatrices führen. Als Vergleichssystem wurde eine Glaskeramik herangezogen, die polymorph Lithiumdisilikat kristallisiert. Kratzer wurden mittels eines Knoop-Diamanten erzeugt und bezüglich der Last variiert. Die Materialanalyse erfolgte durch röntgenographische und kalorimetrische sowie elektromikroskopische Methoden. Relevante mikromechanische Eigenschaften wurden durch Vickersindentation, Ultraschallmessungen und 4-PunktBiegeversuche bestimmt, während die Kratzempfindlichkeit mittels der lastabhängigen Ausmuschelungswahrscheinlichkeit und der Breite der Kratzer nach dem Abbrechen der Flanken parametrisiert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Keramisierungsbedingungen auf die Kratzempfindlichkeit komplex ist und von der Kristallart, dem -anteil und der damit einhergehenden Verspannung zwischen Kristall und Glasmatrix abhängt. Die Propagation lateraler Risse zur Oberfläche erfolgt stets in der Glasphase. Sie wird durch die Gefügeentwicklung beeinflusst, die vor der Rissspitze und an den Rissflanken wirkt und zu Rissaufspaltung, -überbrückung und ablenkung führt. Zudem wird das unterkritische Risswachstum in Folge hohe Umgebungsfeuchte beschleunigt. Vor diesem Hintergrund sind Gefüge vorteilhaft, die durch die Keramisierung so eingestellt werden, dass die Kristalle sich berühren, d.h. das Restglas die diskontinuierliche Phase des glaskeramischen Gefüges darstellt.

The present work deals with the investigation of the scratch sensitivity of glass-ceramics. Scratches on glass-ceramic surfaces can both reduce strength if median cracks lead directly below the scratch track into the center of the material, as well as contribute to a visual impairment when lateral cracks grow parallel to the surface and the scratch flanks radiate out. In this work the focus is on the visual impairment. The focus is therefore on the influence of the growing crystal phase components during ceramization and the concomitant change in the material- and mechanical properties as well as the intrinsic stress in the glass-ceramic. It will be shown to what extent the course of lateral cracks can be influenced or controlled by the structure of the glass-ceramic. Glass-ceramics of the system MgO-Al2O3-SiO2 (MAS) were investigated in which a wide range of different crystal phases such as spinel, sapphirine, indialite and mullite and amount of crystal phase can be precipitated, leading to chemically different residual glass matrices. The comparison system used was a glass-ceramic which crystallizes polymorph lithium disilicate. Scratches were made using a Knoop diamond and varied in load. Material analysis was carried out by Xray and calorimetric and electromicroscopic methods. Relevant micromechanical properties were determined by Vickersindentation, ultrasonic measurements and 4-point bending tests, while the scratch sensitivity was parameterized by the load-dependent scratch resistance and the width of the scratches after the breaking off of the flanks. The results show that the influence of ceramization conditions on scratch sensitivity is complex and depends on the crystal type, the proportion and the consequent strain between crystal and glass matrix. The propagation of lateral cracks towards the surface always occurs in the glassy phase. It is influenced by the structure development that acts in front of the crack tip and at the crack edges and leads to crack splitting, bridging and deflection. In addition, the subcritical crack growth due to high ambient humidity is accelerated. Against this background, structures are advantageous which are adjusted by the ceramization so that the crystals touch, which means that the residual glass represents the discontinuous phase of the glass-ceramic microstructure.

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Hota, Belma: Einfluss der Gefügeentwicklung auf die Kratzempfindlichkeit von Glaskeramiken im System MgO-Al2O3-SiO2 und Li2O-SiO2. 2018.

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