GLAS-NANO-KERAMIK

Je nach Größe der Kristallite im Verhältnis zur Wellenlänge des Lichts können Glaskeramiken entweder transparent (z. B. mit nanoskaligen Kristalliten) oder undurchsichtig (z. B. mit mikroskaligen Kristalliten) sein. 

Die Natur ist immer bestrebt, die Energie für das Eintreten einer Reaktion oder eines bestimmten Ereignisses zu senken. In diesem Sinne ist es möglich, mit diesem Effekt zu spielen, um es einem bestimmten Prozess zu erschweren, in Gang zu kommen und sich auszubreiten. Bei Glas wäre das die Rissbildung und -ausbreitung. Wenn eine Last auf ein Material aufgebracht wird, überträgt sie eine große Menge an Energie auf das Material und schafft eine Situation, in der das Material nun auf diese Energie reagieren muss. Jenseits der Elastizitätsgrenze würde ein sprödes Material wie Glas oder Keramik diese Energie normalerweise durch die Bildung neuer Oberflächen, z. B. durch Rissbildung, abbauen.

Glas-Nanokeramiken bieten eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften zur Verbesserung der Bruchzähigkeit von Glas. Das physikalische Vorhandensein von ultrafeinen, gut verteilten Nanokristalliten verhindert die Rissausbreitung.  Wenn ein sich ausbreitender Riss auf eine nanokristalline Grenzfläche trifft, muss der Riss entweder seine Ausbreitungsrichtung ändern, um den Nanokristall zu umgehen, oder einen neuen Riss durch die kristalline Phase selbst initiieren.  

Wenn der Nanokristall jedoch klein genug ist, um sogar die Bildung einer Korngrenze innerhalb seines Kristallgitters zu begrenzen, ist die Wahrscheinlichkeit einer Bruchstelle umso geringer. Eine solche Störung des natürlichen Ablaufs der Dinge schafft eine so große Energiebarriere, dass die Bildung eines Weges für die Rissausbreitung zu einem energetisch ungünstigen Szenario führt und der Bruch eingeschränkt oder gänzlich verhindert wird. 

HOHE FESTIGKEIT BEI GERINGEM GEWICHT

Damit die Ausbreitung eines Risses um und innerhalb eines in Glas eingebetteten nanokeramischen Kristalls (Glas-Nanokeramik) signifikant begrenzt werden kann, sind diese Grundlagen unerlässlich:

• Eine gleichmäßige und dichte Verteilung der Nano-Keramikkristalle in der Glasmatrix ist entscheidend

• Die Größe der nanokeramischen Kristalle muss deutlich unter 20 nm liegen, um die Bildung von Korngrenzen in der Glasmatrix zu minimieren oder zu verhindern.

• Die nanokeramische Kristallzusammensetzung muss dem Glas vielseitige Funktionen verleihen, z. B. chemische, optische und elektrische Eigenschaften, die ihm zu einer langen Lebensdauer verhelfen.

Eine große Herausforderung bei der Herstellung von Glas-Nanokeramik-Matrix-Nanokompositen besteht darin, eine homogene Dispersion der darin enthaltenen Nanokristalle zu erreichen.  Mikrometergroße Klumpenagglomerationen, insbesondere von großen Nanopartikeln (oft > 30 nm), die bei schweren Lasten verwendet werden, wirken sich tendenziell negativ auf die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Glases aus, da eine geringere Anzahl von Verstärkungspartikeln in anderen Bereichen vorhanden ist und Aggregate als Defektzentren fungieren können, die als Rissauslöser fungieren können, die zu einem strukturellen Versagen des Glasverbunds führen.

KONTROLLE DER PARTIKELGRÖSSE VON NANO-KERAMIK IST WICHTIG

Indem man die Partikelgröße von Nanokeramik deutlich unter 20 nm reduziert, kann man die Anzahl der an einer Korngrenze angehäuften Versetzungen beeinflussen und die Streckgrenze einer Nanokeramik erhöhen, d. h. die maximale Spannung, die der nanokeramische Kristall toleriert, bevor die Verformung einsetzt. 

Verteilt man eine beträchtliche Menge davon in einer Glasmatrix, erhält man eine hohe Dichte an Verstärkungsstellen in einer Glasmatrix. Dies ist bei ultrafeinen Nano-Keramikpartikeln leicht möglich, da die durchschnittliche Anzahl der Partikel in einem Einheitsvolumen exponentiell ansteigt, wenn die Partikelgröße abnimmt. z. B. kann ein 1 um großes Keramikpartikel durch etwa tausend 1 nm große Nano-Keramikpartikel ersetzt werden. Dies bedeutet, dass mit einem geringeren Volumen und einer geringeren Masse eine höhere Dichteverteilung von Nano-Keramikpartikeln in einer Glasmatrix erreicht werden kann, und zwar bei einer deutlich geringeren Dosis als bei mikronisierten oder noch größeren (> 20 nm) Partikeln.

CHEMISCH NANO-GEHÄRTETES GLAS

Glasbruch hat seinen Ursprung zwangsläufig auf der Nanoskala (d. h. Bruch von Verbindungen). Das chemische Vorspannen ist eine sehr wirksame Methode zur Verbesserung der Festigkeit durch Einbringen einer hohen Druckspannung in die Glasoberflächen. Ein topologisch optimiertes Design von Glas im Nanomaßstab kann erreicht werden, indem nanokeramische Kristalle unterschiedlicher Zusammensetzung in Kombination mit den Vorteilen der nanokeramischen Kristalldimensionen verwendet werden, damit die auf eine Glasoberfläche einwirkende Energie durch lokale Verdichtung um einen Eindringling herum abgeleitet werden kann, anstatt durch Rissbildung im Glas selbst.

Mit unserer Kernkompetenz in der Entwicklung und Herstellung von Nano-Keramikkristallen mit einer Größe von weniger als 20 nm ist NANOARC gut positioniert, um der Glasindustrie dabei zu helfen, die Grenzen der Glasleistung in Bezug auf chemische und strukturelle Beständigkeit zu erweitern. Da wir uns im Rahmen unseres Nanomaterial-Designprozesses mit Nanopolymorphismus beschäftigen, können Hersteller unsere Produkte nahtlos und ohne Bedenken hinsichtlich der chemischen Kompatibilität einsetzen.