Sprödigkeit von Oxidgläsern: Einfluss von Bindung, Glasvorgeschichte und Umgebung (2014)

Stärker schadenstolerante Gläser bezüglich Stoßen und Kratzen sind in den Anwendungsbereichen Display und Touchscreen zwingend erforderlich und stellen bei der Entwicklung von Gläsern eine große Herausforderung dar. Dabei steht vor allem das Verständnis über die Rissbildung und Rissausbreitung sowie die zugrunde liegenden Mechanismen und Parameter im Vordergrund zukünftiger Entwicklungen. Innerhalb dieser Arbeit wurden daher anhand von vier Fallbeispielen der Einfluss der Parameter fiktive Temperatur, fiktiver Druck, Bindungscharakter und Umgebungsbedingungen charakterisiert und evaluiert. Als zentrale Methode wurde die Vickersindentation gewählt, da aus den Eindrücken Informationen bezüglich Verformung (plastisch, elastisch) sowie unter höheren Lasten Rissgeneration und -propagation erhalten werden können. Im Mittelpunkt der Schadenstoleranz stand zunächst die Sprödigkeit der Gläser. Die Ergebnisse der Indentationsversuche bestätigten, dass unabhängig von der Glasvorgeschichte, Bindungsart oder Umgebung das freie Volumen bzw. die Dichte der Glasstruktur die Sprödigkeit maßgeblich beeinflusst. Offene Glasstrukturen erlauben ein gesteigertes Maß an Verdichtung bei äußerer Krafteinwirkung, was eine höhere Bruchresistenz nach sich zieht. Rasch abgekühlte Gläser zeigten aufgrund ihrer geringeren Dichte um bis zu 60% höhere Bruchwiderstände als die langzeit-getemperten Proben gleicher Zusammensetzung. Die Dichtezunahme infolge von Erschmelzen und Abkühlen unter Kompression führte hingegen zu einem verminderten Bruchwiderstand. Dieser Effekt war allerdings weitaus weniger wirkungsvoll. Den schwächsten Effekt auf die Schadenstoleranz zeigte die Änderung der Bindungsart. Neben der erhöhten Bruchresistenz führten diese offenen Strukturen in der Regel auch zu einer weniger starken Bindung, da eine Änderung der Bindungswinkel (fiktive Temperatur), Änderung der Koordinationslängen (fiktiver Druck) oder Depolymerisation (Bindungsart) stattfand, was in einer geringeren Härte (und E-Modul) resultierte. Als Konsequenz nahm die Sprödigkeit bei den strukturverdichtenden Prozessen Tempern und Kompression deutlich zu, wobei auch hierbei der thermische Effekt höher lag als der druck-induzierte Effekt (ca. 10%). Im Gegensatz dazu führte die Depolymerisation trotz Strukturverdichtung zu einer um etwa 5% abnehmenden Sprödigkeit. Allerdings geht eine Depolymerisation häufig einher mit einem instabileren Netzwerk, welches anfällig für Korrosion - vor allem gegenüber Wasser in der Atmosphäre - ist, und somit die Risspropagation erleichtert. Diese war neben der Glasstruktur und -chemie auch von den Umgebungsbedigungen d.h. dem Wasserdampfpartialdruck abhängig. In identischen Gläsern der MCAS-Reihe wurde der Bruchwiderstand um bis zu 60% durch Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100% gesenkt. Desweiteren zeigten Gläser dieser Reihe mit hoher fiktiver Temperatur eine größere Resistenz gegen unterkritisches Risswachstum und somit eine besser Korrosionsbeständigkeit. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit &gt; 30% konnte zudem ein anormal schnelles Risswachstum aufgrund von Kapillarkondensation in der Rissspitze nachgewiesen werden. Die Stärke der Kondensation und die Wassersorptionsrate der Gläser zeigten wiederum eine starke Abhängigkeit von der Ionenbeweglichkeit der Netzwerkwandler. Diese waren in Li-Mg-Metaphosphaten bei einem Li/Mg-Verhältnis nahe 2:1 besonders gehemmt, was auf einen kooperativen Effekt (sog. Mischoxideffekt) zurückgeführt wurde. Da das Risswachstum stark von der Interaktion zwischen Glas und Wasser der Atmosphäre abhängt, wurde eine verringerte Risspropagation in Li-Mg-Mischgläsern festgestellt und mit dem Mischoxideffekt erklärt.