Glas I – Grundlagen Universität des Saarlandes SS 2008 Lehrstuhl Pulvertechnologie 1 Verbreitung der Glasmacherkunst Glasstruktur Temperatur Volumen T T g s Kristall Glas unterkühlte Schmelze Schmelze Festkörper viskose Schmelze eingefrorene Flüssigkeit T g T s Transformations- temperatur (-bereich) Schmelz- temperatur Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Hf La Ba Cs Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te Xe Zr Y Sr Rb V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Ti Sc Ca K Al Si P S Cl Ar Mg Na B C N O F Ne Li He H V A VIA VIIA VIII IB IIB IIIB IVB V B VIB VIIB 0 IVA IIIA IIA IA Ac Ra Fr Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu La Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw Ac Lanthaniden Actiniden Periodensystem der Elemente radioaktiv toxisch sehr teuer bedenklich kein Glasbildner Glasbildner Periodensysten Glaskomponenten (Vorlesung Glas I) J Be
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Glas I – Grundlagen U niv er stä dS al SS 2008 Lehrstuhl ... I - 2008.pdf · Glas I – Grundlagen U niv er stä dS al SS 2008 Lehrstuhl Pulvertechnologie 2 Radiale Elektronenverteilung
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Glas I – Grundlagen Universität des Saarlandes SS 2008 Lehrstuhl Pulvertechnologie
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Verbreitung der Glasmacherkunst Geografie der Glasverbreitung
Karte Glasverbreitung (Glas I - allgemein)
Glasstruktur
Temperatur
Volu
men
T Tg s
Kristall
Glas
unterk
ühlte
Schm
elzeSch
mel
ze
Festkörper viskose Schmelze
eingefroreneFlüssigkeit Tg
Ts
Transformations-temperatur(-bereich)
Schmelz-temperatur
Glasvolumen-Ts-Tg (Glas I-allgemein)
Ta W Re O s Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi P o At RnHfLaBaC s
Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te XeZrYSrRb
V Cr Mn Fe C o Ni Cu Zn Ga Ge A s Se Br KrTiScC aK
Al Si P S Cl ArMgNa
B C N O F NeLi
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V A VIAVIIA VIII IB IIB IIIB IVB V B VIB VIIB 0IVAIIIAIIAIA
A cRaFr
C e Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb D y Ho Er Tm Yb LuLa
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No LwA c
Lanthaniden
Actiniden
Periodensystem der Elemente
radioaktiv
toxisch
sehr teuer
bedenklich
kein Glasbildner GlasbildnerPeriodensysten Glaskomponenten (Vorlesung Glas I)
J
Be
Glas I – Grundlagen Universität des Saarlandes SS 2008 Lehrstuhl Pulvertechnologie
Änderung der IR-Absorptionsbanden von Si - O bei strukturellen Veränderungen
Si - Streckmoden (Vorlesung Glas III)
aus: H. Eckert, Prog. Nucl. Mag. Resonance Spectrosc. Vol 24, Part 3 (1992) 160-278NMR SiO2 (Glas I-Struktur)
NMR-Spektroskopie an Kieselglas
Spektrum Struktur Bezeichnung
NMR-Spektroskopie an Silikaten
Q
Q3
4
0 -100 -200 ppm
K Si O �Glas4 125
Na Si O Glas2 3
-50 -70-60 -80 -90 ppm
Q
Q
Q2
31
NMR Messung Silikate (Glas I - Struktur)
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[BeF ]-Tetraeder4
[AsS ]-Plandreieck [AsS ]-Tetraeder53
Räumliche Vernetzung von Grundbauelementen von Gläsern
Glasstruktur BeF2, AsSx (Glas I - Nichtsilikatglas)
Strukturmodell für K O - Ta O bzw. K O - Nb O - Glas52 222 5
Struktur K2O-Nb/Ta2O5-Glas (Glas I - Nichtsilikat)
K
Ta
Nb
O
+
5+
5+
2-
Bi O
CdO PbO
95 %Glas
50 - 95 %Glas
keineGlasbildung
2 3
Glasbildung im System Tl O - CdO - PbO - Bi O - (25 %Tl O)2 2 3 2
Glasbildung Tl2O-Cd-PbO-Bi2O3 (Glas I - Nichtsilikat)
aus: W.H. Dumbaugh,.. J. Am. Ceram. Soc. 75(1992)15
Herstellung von metallischen Gläsern
Splat-cooling
HF-Spule
geschmolzener Tropfen
gekühlte Platten
Bandziehverfahren
HF-SpuleGas
rotierende, gekühlteTrommel
Glasmetallband
geschmolzenes Metall
Herstellung Glasmetall (Glas I -Nichtsilikat)
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6
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20 25 30
Ke
imb
ildu
ng
,K
rista
llisa
tio
nsra
te
TemperaturTammann-Kurve (Glas I - Entmischung-Kristallisation)
Keim-bildung
Kristall-wachstum
Tg
Sinterbereich
!T großhochrein
Prozeßlücke
Ts
Schmelze
Binäres System Na O - SiO
a) Glasigkeit G, experimentell ( ), berechnet ( )b) Phasendiagramm
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Glasigkeit Na2O-SiO2 (Glas I - Entmischung)
Entmischung des Glases
TEM- Aufnahmen von sehr dünnen Glaskanten von tyndalleffektfreien Gläsern. Links: Li-Silikatglas (28,6 Mol-% Li2O, 71,4 Mol-% SiO2), rechts: Na-Boratglas (16 Mol-% Na2O, 84 Mol-% B2O3)
aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 110
Entmischungen in verschiedenen Gläsern Links oben: REM Chalkogenidglas 65,7 Mol-% Se, 22,5 Mol-% Ge, 10,0 Mol-% Pb) Rechts oben: TEM Telluritglas 37,2 Mol-% TeO2, 42 Mol-% B2O3, 20,8 Mol-% K2O Links unten: TEM Na-Silikatglas 18,0 Mol-% Na2O, 82,0 Mol-% SiO2 Rechts unten: Dsgl, nur 3 Mol-% der Sauerstoffionen durch Fluorionen ersetzt aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 113
TEM Bariumborosilikatglas (Abdruckpräparat) mit 6 Mikroglasphase aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 129
REM-EDX Aufnahme eines Ba-Borosilikatglases mit 1,89 Mol-%NiO. Links: Ba(Lα)-Linie, rechts: Ni(Kα)-Linie aus Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 136
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Entmischung eines Na-Borosilikatglases mit einer Zusammensetzung am Rande (links, nach Temperung) und in der Mitte(rechts) des Entmischungsbereiches. Aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 165
10 20 30 40 50 60 70 80 90
90 8
0 7
0 6
0 50 4
0 3
0 2
0 1
0 90 8
0 7
0 6
0 5
0 4
0 3
0 2
0 1
0
B O
Na O
SiO32 2
2
Vycor-Gläser
Pyrex-Gläser
Ternäres Na O - B O - SiO Glassystem
System Na2O-B2O3-SiO2 (Glas I - Entmischung)
2 2 3 2
Entmischung eines Na-Borosilikatglasesvom Vycor-Typ. Links: TEM-Aufnahme mit Na-reicher Tröpchenphase Rechts: Ausgelaugtes Glas, Gerüst aus SiO2 Aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 140 + 167
Destillationskolben aus Pyrex-Glas. Erhöhte Korosion durch Entmischung Aus: Vogel, Glaschemie, Springer-Verlag 1992, S. 17
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Kristallisation des Glases Kristalle im Glas
Cristobalit im Silikatglas (V=300-fach)
Dendrit im Beryliumfluoridglas (V=250-fach)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Kalk-Natron-Glas
Borosilikatglas
Kieselglas
Temperatur [°C]
Wa
ch
stu
msra
te [
µm
/h]
Kristallisation Gläser (Glas I - Kristallisation)
Kalk-Natron- Glas: 76 % SiO2, 16 % Na
2O, 8 % CaO
Borosilikatglas: 75 % SiO2, 7.5 %B
2O
3, 5.5 % Al
2O
3, 1 % CaO, 4 % BaO, 7 % Na
2O
SinterbereichSinter-bereich
Kristallisationsgeschwindigkeit Gläser
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Viskosität des Glases
hohe Viskositäten1013 bis 109 dPa·s
mittlere Viskositäten109 bis 105 dPa·s
niedrige Viskositäten105 bis 102 dPa·s
Balkenbiegung Torsion Rotation
Fadenziehen Parallele Platten Kugelfall
Kugelziehen Kugel-Penetration
Messbereiche Viskosität
Balkenbiegeviskosimeter
d f
d t
L · F
144 · I · !=
3
c
s
df/dt DurchbiegegeschwindigkeitLs StützweiteIc Flächenmoment 2. Grades der Probe! Viskosität
MeßverstärkerDurchbiegung
Meßgewicht
Thermo-elementOfen
Ofen
Probe ThermoelementProbe
Balkenbiegeviskosimeter (Glas I - Viskosität)
Probenhalterung
Probe
Ofen
Thermoelement Probe
Kompensations-Gewicht
Meßgewicht
Meßverstärker
Thermoelement Ofen
Kern des Meßverstärkers
Fadenziehviskosimeter
dL/dt Sinkgeschwindigkeit des FadensV Volumen der ProbeF ZiehkraftL Fadenlänge! Viskosität
d L
d t
F · L
3 · ! · V=
2
Fadenziehviskosimeter (Glas I - Viskosität)
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10
Meßkopf
Rotor
Meßtiegel Halterung
Ofen
Thermoelement Probe
Thermoelement Ofen
Rotationsviskosimeter
! = f ·M
n
! Viskosität
M Drehmoment
n Drehzahl
f Fließfeldkoeffizient
(abhängig vom Meßsystem)Rotationsviskosimeter (Glas I - Viskosität)
2
4
6
8
10
12
14
500 1000 1500
Viskositätsmessung an Duranmit verschiedenen Verfahren
Faserziehmethode
Torsionsmethode
Rotationemethode
VFT-Kurve
log
Vis
ko
sitä
t [d
Pa
·s]
Temperatur [°C]Viskosität Duran Farbe (Vorlesung Glas I - Viskosität)
6
7
8
9
10
11
12
13
14
1000 1200 1400 1600 1800 2000
Herasil
VFT-Gleichung
Vis
kosi
tät
[dP
a·s]
Temperatur (°C)
Torsion
Balken-biegung
Viskos. Herasil Balken+Torsion (Glas I - Viskosität)
2
4
6
8
10
12
14
0 500 1000 1500 2000
Kalk-NatronglasBorosilikatglas
AlumosilikatglasKieselglas (Herasil)
log
Vis
ko
sitä
t [d
Pa
·s]
Temperatur [°C]Viskosität tech. Gläser (Vorlesung Glas I - Viskosität)