SPP 1594:  Topologisches Design hochfester Gläser

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198574154

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Hauptziel des SPP 1594 war die Erforschung der Auswirkung strukturchemischer Eigenschaften anorganischer Gläser auf deren mechanisches Verhalten. Während Gläser - hinsichtlich ihrer intrinsischen (theoretischen) Eigenschaften - zu den mechanisch stabilsten Materialien gehören, die in großem Maßstab herstellbar sind, erfüllen reale Anwendungen dieses Versprechen in der Regel nicht. Grund dafür ist die Spannungsverstärkung an mikroskopischen Defekten: bei Vorhandensein solcher Defekte kann die lokal wirkende mechanische Spannung um Größenordnungen höher sein als die makroskopische (extern angelegte) Spannung. Wenn - wie bei spröden Gläsern - das Material nicht durch lokale plastische Verformung reagieren kann, kann diese Spannungsüberhöhung nicht abgebaut werden und es kommt zum Materialversagen. Der Schlüssel zu diesem Problem ist das Verständnis lokaler Verformungsmechanismen und deren Anpassung durch die chemische Zusammensetzung des Glases. Im Fokus des SPP 1594 standen daher Volumeneigenschaften, die dem mechanischen Verhalten zugrunde liegen, sowie deren Strukturabhängigkeit auf mittleren Längenskalen (als Topologie bezeichnet). Zentrales Thema war die Ableitung derartiger Korrelationen für die Formulierung hochfester Gläser. Es wurde erwartet, dass durch die gemeinsame Behandlung anorganischer Oxidgläsern und metallischer Gläser wichtige Synergien hinsichtlich der grundlegenden Strukturbildungsprozesse zwischen hochvernetzten Gittern und Packungsstrukturen erhalten werden können. Dabei standen das Erreichen eines Konsensniveaus und synergistischer Ansätze im Mittelpunkt der ersten Finanzierungsperiode, während die zweite Periode sich auf bestimmte technische Fortschritte konzentrieren sollte. Insgesamt wurden unter Beteiligung von je 2-3 Projektleitern 11 eng vernetzte Forschungsprojekte durchgeführt (von denen 7 über zwei Finanzierungsphasen liefen). Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Berichts konnten 21 junge Forscherinnen und Forscher anhand ihrer im Rahmen des SPP durchgeführten Arbeiten erfolgreich promoviert werden. Die dabei erzielten Forschungsergebnisse wurden in mehr als 90 von Experten begutachteten Veröffentlichungen publiziert. Im Rahmen des Programmes wurden zudem zwei hochranging besetzte Konferenzen organisiert, aus denen sich eine breite Palette von Spin-off- und Follow-Up-Perspektiven ergaben.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• In Situ Electrochemical Analysis during Deformation of a Zr-Based Bulk Metallic Glass: A Sensitive Tool Revealing Early Shear Banding. Adv. Eng. Mater. 17, 1532-1535 (2015)
  Grell, D, Gostin, PF, Eckert, J, Gebert, A, Kerscher, E
  
• Plasticity, crack initiation and defect resistance in alkali-borosilicate glasses: From normal to anomalous behavior. J. Non-Cryst. Solids 417-418, 15–27 (2015)
  Limbach, R, Winterstein-Beckmann, A, Dellith, J, Möncke, D, Wondraczek, L
  
• Quantitative Measurement of Density in a Shear Band of Metallic Glass monitored along its Propagation Direction. Phys. Rev. Lett. 115, 035501 (2015)
  Schmidt, V, Rösner, H, Peterlechner, M, Wilde, G, Voyles, PM
  
• A First-Principles Study on the Electronic, Vibrational, and Thermodynamic Properties of Jadeite and its Tentative Low- Density Polymorph. Z. Anorg. Allg. Chem. 642, 590-596 (2016)
  Stoffel, RP, Philipps, K, Conradt, R, Dronskowski, R
  
• Bulk elastic properties, hardness and fatigue of calcium aluminosilicate glasses in the mid/intermediate-silica-range. J. Non-Cryst. Solids 434, 1-12 (2016)
  Pönitzsch, A, Nofz, M, Wondraczek, L, Deubener, J
  
• In situ mechanical quenching of nanoscale silica spheres in the transmission electron microscope, Scripta Materialia 121, 70-74 (2016)
  Mačković, M, Niekiel, F, Wondraczek, L, Bitzek, E, Spiecker, E
  
• Revealing the relationships between chemistry, topology and stiffness of ultrastrong Co- based metallic glass thin films: A combinatorial approach. Acta Mater. 107, 213-219 (2016)
  Schnabel, Köhler, M, Evertz, S, Gamcova, J, Bednarcik, J, Music, D, Raabe, D, Schneider, JM
  
• Shear band relaxation in a deformed bulk metallic glass, Acta Mater. 109, 330 (2016)
  Binkowski, I, Shrivastav, GP, Horbach, J, Divinski, SV, Wilde, G
  
• Constitutive modeling of indentation cracking in fused silica. J. Am. Ceram. Soc. 100, 1928-1940 (2017)
  Bruns, S, Johanns, KE, Rehman, HUR, Pharr, GM, Durst, K
  
• Experimental and Theoretical Investigation of the Elastic Moduli of Silicate Glasses and Crystals. Front. Mater. 4, 2 (2017)
  Philipps, K, Stoffel, RP, Dronskowski, R, Conradt, R
  
• Ultrastiff metallic glasses through bond energy density design. J. Phys. Cond. Matter 29, 265502 (2017)
  Schnabel, V, Köhler, M, Music, D, Bednarcik, J, Clegg, W, Raabe, D, Schneider, JM
  
• Mixed-modifier effect in alkaline earth metaphosphate glasses. J. Non-Cryst. Solids 481, 447-456 (2018)
  Griebenow, K, Bragatto, CB, Kamitsos, EI, Wondraczek, L
  
• Structural relaxation mechanisms in hydrous sodium borosilicate glasses. J. Non-Cryst. Solids 497, 30-39 (2018)
  Behrens H, Bauer U, Reinsch R, Kiefer P, Müller R, Deubener J
  
• Structure and Properties of Nanoglasses, Adv. Eng. Mater. 20, 1800404 (2018)
  Ivanisenko, Y, Kübel, C, Nandam, SH, Wang, C, Mu, X, Adjaoud, O, Albe, K, Hahn, H
  
• Catastrophic stress corrosion failure of Zr-base bulk metallic glass through hydrogen embrittlement. Corrosion Sci. 159, 108057 (2019)
  Geißler, D, Uhlemann, M, Gebert, A
  
• The influence of deformation on the medium-range order of a Zr-based bulk metallic glass characterized by variable resolution fluctuation electron microscopy. Acta Mater. 171, 275-281 (2019)
  Hilke, S, Rösner, H, Geissler, D, Gebert, A, Peterlechner, M, Wilde, G
  
• Deformation-Induced Chemical Inhomogeneity and Short-Circuit Diffusion in Shear Bands of a Bulk Metallic Glass. Phys. Rev. Lett. 125, 205501 (2020)
  Chellali, MR, Nandam, SH, Hahn, H
  
• Flow heterogeneities in supercooled liquids and glasses under shear, Phys. Rev. E 102, 023002 (2020)
  Golkia, M, Shrivastav, GP, Chaudhuri, P, Horbach, J
  
• Indentation Densification of Fused Silica assessed by Raman Spectroscopy and constitutive Finite Element Analysis. J. Am. Ceram. Soc. 103, 3076-3088 (2020)
  Bruns, S, Uesbeck, T, Fuhrmann, S, Tarragó Aymerich, M, Wondraczek, L, de Ligny, D, Durst, K
  
• Indentation densification of fused silica assessed by Raman spectroscopy and constitutive finite element analysis. J. Am. Ceram. Soc. 103, 3076–3088 (2020)
  Bruns, S, Uesbeck, T, Fuhrmann, S, Aymerich, MT, Wondraczek, L, de Ligny, D, Durst, K
  
• Influence of Al2O3 addition on structure and mechanical properties of borosilicate glasses. Front. Mater. 7, 189 (2020)
  Bruns, S, Uesbeck, T, Weil, D, Möncke, D, van Wüllen, L, Durst, K, De Ligny, D
  
• Statistical analysis of propagation rates of indentation-induced radial cracks in soda-lime-silica glass. J Non-Cryst. Solids 527, 119739 (2020)
  Kiefer P, Deubener J, Müller R, Behrens H