Herstellung bleifreier transparenter Piezokeramik durch Verdichtung und Kristallisation lasergefuster Mikrokugeln
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Transparente bleifreie Piezokeramiken rücken unter gesundheitlichen und ökologischen Gesichtspunkten in den letzten Jahren für Schallschutzzwecke immer mehr in den Fokus der Materialforschung. Transparente Keramiken können durch Sintern von Nanopulvern, durch thermische Nachbehandlung von Gläsern oder durch Sintern und Kristallisation von glasigen Mikrokugeln hergestellt werden. Laut Literatur ist für die Herstellung glasig erstarrter, transparenter Keramiken eine sehr hohe Abkühlgeschwindigkeit nötig. Bedingt durch die starke Kristallisationsneigung des KNN ist es nur möglich Mikrokugeln jedoch keine voluminösen Körper herzustellen, wobei die stöchiometrische Zusammensetzung des Materials sehr wichtig ist. In der Literatur wird beschrieben, dass die Differenz der freien Enthalpien zwischen Schmelze und Kristall gering sein muss sowie das Verhältnis von TG zu TS klein, welches man im Bereich der Eutektika findet, um die Glasbildung zu begünstigen. Das System KNN zeigt nicht ein einziges Eutektikum in seinem Phasendiagramm (Phase diagram of KNbO3 –NaNbO3 solid solution) auf, welches wohl die Hauptursache für die sehr schlechte transparente Erstarrung ist. Vielmehr werden verschiedene Phasengebiete bei der Erstarrung durchlaufen, was sicherlich auch eine Umwandlung des Kristalls nach sich zieht und somit die Wahrscheinlichkeit einer transparenten Erstarrung extrem gering ist. In dieser Arbeit wurde bleifreies Kaliumnatriumniobatpulver - K0.5Na0.5NbO3 (KNN) - durch eine Laserbehandlung mittels eines 5 sowie 12kW-CO2 Lasers aufgeschmolzen und in transparente Mikrokugeln umgewandelt. Das resultierende Material besteht aus transparenten und opaken Mikrokugeln sowie aus gesinterten Teilchen unregelmäßiger Form. Die transparente Fraktion des gesichteten Materials liegt bei 75%. Durch TEM-Aufnahmen konnte gezeigt werden, dass die transparenten Mikrokugeln amorph sind. DSC Untersuchungen ergaben für die transparenten Mikrokugeln eine Fiktive Temperatur von 503°C. Bei 529°C wurde der Kristallisationsbeginn detektiert. Die Differenz aus den zuvor erwähnten Temperaturen beträgt 26°C, welche kinetisches Fenster genannt wird. Transmissionsuntersuchungen an den transparenten Mikrokugeln ergaben eine Transparenz im Bereich des sichtbaren und mittleren infraroten Spektrums von 92%. Mikrokugeln, die bei 578°C geglüht wurden, besitzen noch eine Transparenz von 80% im Bereich des sichtbaren und 85% im mittleren infraroten Bereich. Es stellt sich ein glaskeramisches Gefüge ein, bei dem Nano- Kristallite in eine Glasmatrix eingebettet sind. Die Dilatometer-Sinterkurve des lasergeschmolzenen KNN zeigt eine erste Schwindung von 1% im Glasübergangsbereich bei ca. 503°C und ein zweites Schwindungsmaximum bei ca. 1000°C. Durch heißisostatisches Pressen wurde das lasergeschmolzene KNN bei 525°C und bei 1000°C für eine Stunde bei einem Druck von 280 MPa verdichtet. Abschließende Auswertungen zur Probenstruktur gibt es derzeit noch nicht.
