Atomarer Transport in Alumosilicatgläsern: Selbstdiffusion von Al, O und Si

• Antragsteller: Dr. Peter Fielitz
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2007 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 35307247

Für die Beantwortung grundlegender Fragestellungen nach der Struktur und den Transportmechanismen von Gläsern ist die Kenntnis der Beweglichkeiten der konstituierenden Elemente eine wesentliche Voraussetzung. Während die Beweglichkeiten der Netzwerkwandler wie Na und Ca in einigen (z. T. auch als Massengläser technisch sehr wichtigen) Silicat- oder Borosilicatbasissystemen intensiv untersucht worden sind, liegen bereits in diesen Systemen in weit geringerem Maß Daten für den Netzwerkbildner Si und den Netzwerkbestandteil O vor. Mit Ausnahme einer einzigen (!) älteren Arbeit zur Selbstdiffusion [1] und einer weiteren Arbeit zur chemischen Diffusion [2] liegen für Al dagegen gar keine Daten vor, obwohl der Einbau von Al3+-Ionen in Gläsern zum einen vom strukturellen Standpunkt (Vierer- bzw. Sechserkoordination mit Sauerstoff) gesehen höchst interessant ist, und zum anderen der Al2O3-Einbau in technischen Gläsern für deren diverse Eigenschaften äußerst bedeutend ist. Die Ursache dafür liegt in den experimentellen Schwierigkeiten: Aluminium hat nur ein stabiles Isotop (27Al) und Radionuklide mit entweder sehr kurzer oder extrem langer Halbwertszeit (26Al mit 7,2×105 a), was die Anwendung klassischer Radiotracermethoden sehr erschwert.In diesem Vorhaben ist geplant, mit einem kürzlich von uns entwickelten Verfahren [3] Aluminiumdiffusionsmessungen in Alumosilicatgläsern und in mit Al2O3 dotierten SiO2-Gläsern durchzuführen. Parallel dazu soll die Diffusion der Hauptkomponenten (Sauerstoff und Silizium) gemessen werden. Als Ergebnis wird somit erstmals ein vollständiger Datensatz der Selbstdiffusionskoeffizienten (genauer: Tracerdiffusionskoeffizienten) für Aluminium (!), Sauerstoff und Silizium in einem unter Grundlagenaspekten und gleichzeitig auch technisch bedeutsamen Glastyp vorliegen, der in denselben Proben mit der gleichen Methodik von der derselben Forschergruppe gemessen wurde. Dies garantiert die Vergleichbarkeit der Messergebnisse, so dass die relativen Beweglichkeiten der einzelnen Glaskomponenten (O, Si, Al) sehr genau zueinander aufzeigt werden können. Die ermittelten Diffusionskoeffizienten sollen dann in Bezug auf die Zusammensetzung (Struktur) der untersuchten Gläser – speziell in Hinblick auf den Al-Einbau – diskutiert werden, woraus auch Schlussfolgerungen bzgl. der möglichen Diffusionsmechanismen gezogen werden können. Dies soll zum einen im Vergleich zu den gleichzeitig an den Gläsern zu messenden Tracerdiffusionskoeffizienten von Si und O erfolgen, zum anderen sollen auch die bereits vorhandenen Kenntnisse über die Si- bzw. O-Diffusion in „reinem“ SiO2-Glas vergleichend herangezogen werden. Abschließend sollen dann evtl. sich aus der Kenntnis dieser Werte ergebende Folgerungen für technische Anwendungen diskutiert werden. Aufgrund der Bedeutung der zu untersuchenden Gläser sind die zu erwartenden Ergebnisse auch von wirtschaftlich-technischem Interesse.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Personen: Professor Dr.-Ing. Günter Borchardt; Professor Dr. Günther H. Frischat