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Gläser und amorphe Werkstoffe

Nahordnung und Netzwerkstruktur oxidischer Gläser, Netzwerkbildner und Netzwerkwandler, nichtbrückender Sauerstoff, Temperaturabhängigkeit der Viskosität, thermisches und chemisches Vorspannen, Glasbildungsfähigkeit und Eigenschaften metallischer Gläser sowie amorphes Silizium mit Multiple-Choice-Fragen lernen.

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Gläser und amorphe Werkstoffe: das Wichtigste

Glas ist ein amorpher Festkörper, dessen Struktur beim Abkühlen der Schmelze ohne Kristallisation eingefroren ist; die Koordination der nächsten Nachbarn ist einheitlich, eine Fernordnung fehlt jedoch. In oxidischen Gläsern bauen Netzwerkbildner wie SiO₂ ein Netzwerk aus eckenverknüpften Einheiten auf, während Netzwerkwandler wie Na₂O und CaO Brücken aufbrechen, nichtbrückende Sauerstoffatome erzeugen und so Viskosität und Glasübergangstemperatur senken. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wird durch die VFT-Gleichung beschrieben und dient als Richtwert für die Temperaturen bei der Formgebung und beim Entspannen.

Glas bricht unter Zug, ausgehend von Oberflächenfehlern; man erhöht seine Festigkeit daher, indem man durch thermisches Vorspannen oder chemisches Vorspannen per Ionenaustausch Druckspannungen in die Oberfläche einbringt. Auch Metalle erstarren selbst bei langsamer Abkühlung glasartig, wenn die Legierung aus vielen Komponenten mit unterschiedlich großen Atomen und negativer Mischungswärme besteht; solche Gläser zeigen eine hohe Festigkeit und große elastische Dehnungen. Amorphes Silizium, dessen freie Bindungen mit Wasserstoff abgesättigt sind, wird für großflächige Dünnschichttransistoren und Solarzellen verwendet.

Alle Fragen zum Thema „Gläser und amorphe Werkstoffe“ (15)
  1. Welche Aussage über die Atomanordnung oxidischer Gläser wie Kalk-Natron-Glas trifft zu?
  2. Welche Gruppe nennt richtig Netzwerkbildner, die allein ein Glas bilden und das Netzwerkgerüst oxidischer Gläser aufbauen?
  3. Wie ändern sich Struktur und Eigenschaften von SiO₂-Glas, wenn Na₂O zugegeben wird?
  4. In einem Natriumsilicatglas aus 30 mol-% Na₂O und 70 mol-% SiO₂ soll jedes Na₂O zwei nichtbrückende Sauerstoffatome erzeugen. Welcher Wert kommt der Zahl der nichtbrückenden Sauerstoffatome pro SiO₄-Tetraeder (NBO/T) am nächsten?
  5. Die Viskosität η (Pa·s) eines Kalk-Natron-Glases wird durch die VFT-Gleichung log₁₀η = A + B/(T − T₀) mit A = −2,5, B = 4300 K und T₀ = 520 K beschrieben. Welcher Wert kommt der Temperatur am nächsten, bei der die Viskosität 10¹² Pa·s erreicht (Richtwert für den oberen Kühlpunkt, nahe der Glasübergangstemperatur)?
  6. Welche Aussage beschreibt richtig, wie Flachglas durch Abschrecken mit Luft (thermisches Vorspannen) verfestigt wird?
  7. In einem thermisch vorgespannten Glas der Dicke t = 10 mm sei y der Abstand von der Mittelebene; die Spannung folge der Parabelverteilung σ(y) = σc(1 − 12y²/t²) (Zug positiv, σc ist die Zugspannung in der Mittelebene). Die Druckspannung an der Oberfläche beträgt 120 MPa. Welche Kombination aus der Zugspannung σc in der Mittelebene und der Tiefe von der Oberfläche bis zum Ende der Druckspannungsschicht ist richtig?
  8. Welche Aussage über das chemische Vorspannen (Verfestigung durch Ionenaustausch), das etwa für Deckgläser von Smartphones verwendet wird, trifft zu?
  9. Welche Kombination von Bedingungen ist empirisch für Legierungen bekannt, aus denen sich leicht massive metallische Gläser herstellen lassen, die also auch bei Dicken von einigen mm und mehr glasartig erstarren (Inoue-Regeln)?
  10. Nach der Faustregel von Turnbull bildet eine Schmelze beim Abkühlen umso leichter ein Glas, je größer die reduzierte Glasübergangstemperatur Trg = Tg/Tl ist (Tg: Glasübergangstemperatur, Tl: Liquidustemperatur, beide als absolute Temperatur). Welche der folgenden Legierungen bildet nach dieser Regel am leichtesten ein Glas?
  11. Durch Gießen in eine Kupferkokille wird ein plattenförmiges metallisches Glas hergestellt. Die Abkühlgeschwindigkeit in der Plattenmitte sei umgekehrt proportional zum Quadrat der Plattendicke d und betrage bei 1,0 mm Dicke 1,0×10³ K/s. Welcher Wert kommt der größten Plattendicke am nächsten, bei der eine Legierung mit einer kritischen Abkühlgeschwindigkeit von 10 K/s noch glasartig erstarrt?
  12. Ein massives metallisches Glas auf Zr-Basis hat eine Streckgrenze von 1,8 GPa und einen Elastizitätsmodul von 90 GPa. Welche Kombination aus der mit σy/E abgeschätzten elastischen Grenzdehnung und dem Vergleich mit kristallinen metallischen Werkstoffen ist richtig?
  13. Welche Aussage über die plastische Verformung metallischer Gläser bei Raumtemperatur trifft zu?
  14. Amorphes Silizium für Solarzellen und Dünnschichttransistoren wird durch plasmaunterstützte CVD aus Silan als a-Si:H mit ca. 10 % Wasserstoff hergestellt. Was ist der Hauptgrund dafür?
  15. Welcher Vergleich der Eigenschaften von wasserstoffhaltigem amorphem Silizium (a-Si:H) und kristallinem Silizium ist richtig?

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