Mechano-chemische Resistenz oberflächennitridierter Oxidgläser
Synthesis and Properties of Functional Materials
Final Report Abstract
Im berichteten Gemeinschaftsvorhaben wurde die thermisch induzierte Nitrierung als Möglichkeit zur Beeinflussung der mechanischen und chemischen Eigenschaften von Glasoberflächen untersucht. Ausgangspunkt hierfür war der diffusionskontrollierte Anionenaustausch an dichten und nanoporösen (beschichteten) silicatischen Oberflächen mit dem Ziel, mechanisch und chemisch hochresistente Flachgläser zu erzeugen. Die gefundenen Ergebnisse lieferten einen signifikanten Beitrag zum Stand des Wissens über den Einfluss einer oberflächlichen Nitridierung auf die mechanochemische Resistenz von Gläsern. Es konnten Vor- und Nachteile sowie Grenzen verschiedener Nitridierungsmethoden aufgezeigt werden. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass bei der Gasphasennitridierung in Ammoniakatmosphäre weniger die Nitridierzeit als die Nitridiertemperatur sowie der Gasdruck entscheidende Parameter sind. Auch spielt die Glasübergangstemperatur gegenüber der angewandten Prozesstemperatur eine eher hintergründige Rolle. Diese Beobachtungen eröffnen interessante Perspektiven für die Entwicklung eines technisch relevanten Prozesses für die großflächige Nitridierung von Gläsern. Der Nachweis, dass unter den gegebenen Synthesebedingungen Stickstoff in strukturchemisch signifikantem Maße als verknüpfende Spezies in das Glasnetzwerk eingebaut wird erlaubt die Anwendung der Theorie topogischer Zwangsbedingungen zur Eigenschaftsvorhersage sowohl oxynitridischer Volumengläser als auch oberflächennitridierter Gläser, bei denen bestimmte physikalische Eigenschaften (oberflächliche Glasübergangstemperatur, oberflächlicher Elastizitätsmodul, u.a.) anderweitig experimentell kaum zugänglich sind. Die Nitridierung führt durch Erhöhung der lokalen Energiedichte sowie Erhöhung der Zahl lokaler topologischer Zwangsbedingungen zu Veränderungen des mechanischen Verhaltens. So erfolgt eine Steigerung des Elastizitätsmoduls, eine deutliche Erhöhung der Härte sowie eine Verringerung der Dehnratenabhängigkeit der Härte und damit eine Verschiebung der mechanischen Charakteristik zu eher spröd-elastischem Verhalten. Gleichzeitig wirken sich der Einbau von Si-N-Bindungen sowie die Erhöhung der Bindungsdichte unmittelbar auf die chemische Reaktivität der Glasoberfläche aus, was zu einer Verminderung der Korrosionsrate in alkalischem Medium um mehr als eine Größenordnung führt. Dies wiederum lässt ebenso deutlich verringerte Spannungsrisskorrosion erwarten, wodurch die Bildung und das Wachstum oberflächlicher Defekte vermindert und damit die Defektresistenz erhöht wird. Von besonderem Interesse sind hier silicatreiche Gläser, in denen durch präferentiellen Einbau von Stickstoffanionen zunehmend ausgeprägte Auswirkungen auf die Korrosionsbeständigkeit erreichbar sind. Folgeuntersuchungen sollten sich mit dem chemischen Design optimaler Glaszusammensetzungen für die oberflächliche Nitridierung sowie einer Beschleunigung des Nitridierprozesses beziehungsweise mit einer Steigerung der erreichbaren Profiltiefe befassen. Denkbar ist hier insbesondere auch die Untersuchung möglicher katalytischer Faktoren.
Publications
- Hardness of oxynitride glasses: Topological origin. J. Phys. Chem. B 119, 4109-4115 (2015)
G. L. Paraschiv, S. Gomez, J. C. Mauro, L. Wondraczek, Y. Yue, M. M. Smedskjaer
(See online at https://doi.org/10.1021/jp512235t) - Improving the corrosion resistance of sol-gel-derived aluminoborosilicate glass coatings by nitridation. J. Non-Cryst. Solids 447, 171-177 (2016)
K. Shandarova, G. Helsch, J. Deubener, W. Dziony, L. Wondraczek
(See online at https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.06.016)
