Jena, Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Jena, Univ., Diss., 2001. / Computerdatei im Fernzugriff.

Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg.

Ulm, Univ., Diss., 2001.

Universiẗat, Diss., 2002--Würzburg.

Universiẗat, Diss., 2004--Würzburg.

In LAS-Glaskeramiken, die besondere Verbreitung bei Anwendungen als Kochfläche, Brandschutzglas und Bauteil für präzise Optik gefunden haben, werden vorrangig die Keimbildner TiO2 und ZrO2 eingesetzt. Transparente Glaskeramiken weisen jedoch eine mehr oder weniger starke Gelbfärbung auf, die vorrangig aus dem Einsatz von TiO2 zusammen mit unvermeidbaren Fe2O3-Verunreinigungen resultiert. Die Minimierung dieser Gelbfärbung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Prüfung, inwiefern die Verringerung der Eigenfarbe einer transparenten LAS-Glaskeramik durch Ersatz des färbenden Keimbildners TiO2 durch einen weniger färbenden Keimbildner möglich ist, ohne dass das gute Keimbildungsvermögen beeinträchtigt wird. Verschiedene alternative Keimbildner zu TiO2 wurden stets in Kombination mit ZrO2 hinsichtlich Keimbildungsvermögen und Färbung/Transmission untersucht sowie andere Kerneigenschaften im Vergleich zu der Standardkeimbildnerkombination TiO2/ZrO2 diskutiert. Signifikante Vorteile bzgl. Eigenfarbe und Transmission gegenüber dem TiO2/ZrO2-gekeimten Referenzmaterial konnten nur bei der Keimbildnerkombination SnO2/ZrO2 gefunden werden. Die Transmission ist mit 89% statt 87% beim Referenzmaterial höher, die Eigenfarbe ist mit dem Farbort a*/b* = -0,1/+2,3 deutlich näher am Unbuntpunkt als die Referenz a*/b* = -0,6/+5,1, der Yellowness Index reduziert sich von 9,5 auf 4,6. / LAS-glass ceramics, which are widely-used as cooktop panels, fire protection glasses and precise optical devices, are commonly doped with TiO2 and ZrO2 as nucleating agents. Transparent glass ceramics show a more or less intense yellow coloring, which is mainly caused by the use of TiO2 together with unavoidable Fe2O3 contamination. The reduction of yellowness becomes more important. Object of the dissertation is the investigation, whether the yellowness could be reduced by substitution of the coloring TiO2 by a less coloring nucleating agent. Thereby, the nucleating power should be maintained. Several alternative nucleating agents have been tested regarding the nucleating power, coloring/transmission as well as other key properties. The second nucleating agent ZrO2 remained basically unchanged. The results have been compared with the commonly used nucleating agents TiO2 and ZrO2. Significant advantages concerning coloring and transmission have exclusively been found with the combination of SnO2 and ZrO2. The transmission of 89% is higher than reference of 87% and the coloring is definitely lower (a*/b* = -0.1/+2.3 instead of a*/b* = -0.6/+5.1), the yellowness index could be reduced from 9.5 down to 4.6.

Untersuchung der Keimbildung und des Kristallisationsverhaltens einer mit Zirkoniumoxid verstärkten Glimmerglaskeramik mit Na- Fluorphlogopit als kristalliner Hauptphase. Es der Einfluss des Zirkoniumoxides auf die Keimbildung untersucht. Die Möglichkeiten und Mechanismen der mechanischen Verfestigung der vorkristallisierten Glaskeramik in einem zweiten Temperschritt durch gezielte Gefügeeinstellung, Wachstum der Zirkoniumoxidkristalle auf eine umwandlungsfähige Größe, sowie durch Ausscheidung anderer Phasen wurden im zweiten Teil untersucht. Ziel war die Optimierung der Bearbeitbarkeit nach der ersten Kristallisation und eine bestmögliche Verfestigung durch die zweite Kristallisation. Keimbildung und Kristallisation Die in der Literatur häufig beschriebene tröpfchenförmige Entmischung konnte nicht beobachtet werden. Die Keimbildung wird wesentlich durch die primäre Ausscheidung von nanokristallinem Zirkoniumoxid begünstigt. Ohne Zirkoniumoxid erfolgt im gewählten Zusammensetzungsbereich des Grundglases eine homogene Keimbildung von Phlogopit mit einem Keimbildungsmaximum im Bereich der Transformationstemperatur Tg des Glases. Bei einer Zusammensetzung mit sechs Masseprozent Zirkoniumoxid lassen sich homogene einphasige Gläser herstellen, wenn die Abmessungen nicht zu groß sind, so dass die Abkühlung in wenigen Minuten erfolgt. Andernfalls würde bereits während der Abkühlung die unkontrollierte Ausscheidung von Zirkoniumoxid-Dendriten erfolgen. Eine Temperaturbehandlung bei ca. 60 – 100 °C oberhalb von Tg führt zur homogenen Ausscheidung von Zirkoniumoxid–Nanokristallen und anschließender heterogener Keimbildung von Chondrodit- und Phlogopit–Kristallen. Die maximale Keimbildungsrate erhöht sich hierdurch um mehr als 20-tausendfach. Das Maximum der Keimbildung wird zu höheren Temperaturen verschoben und die Induktionszeit drastisch verkürzt. Somit können in technisch interessanten Zeiten genügend Keime erzeugt werden um ein feinkristallines Gefüge zu erhalten. In den untersuchten Gläsern erfolgt die Kristallisation ohne vorangehende amorphe Phasentrennung. Unterhalb einer Temperatur von 1060 °C wachsen gestörte Glimmerkristalle mit gegenüber der regulären Stöchiometrie erhöhtem Al–Anteil. Bei größeren Glimmerkristallen lassen sich makroskopisch gekrümmte, dendritisch verzweigte Wachstumsformen erkennen. Als Ursache hierfür konnten Störungszonen im Gitteraufbau der Glimmer ausgemacht werden. Zusätzliche, eingeschobene {001}-Halbebenen führen zu einer Verbiegung der benachbarten durchgehenden Netzebenen und ermöglichen dem Kristall die Wachstumsrichtung um einen kleinen Winkelbetrag zu ändern. In der Summe entstehen so die makroskopisch gekrümmten und verzweigten Kristalle. Anders als für die bekannten sphärisch aggregierten Glimmerkristalle angenommen, ist hier also kein durch die Glasmatrix vorgegebener Zwang für die gekrümmte Morphologie entscheidend. Vielmehr führen Wachstumsstörungen, die aufgrund der nichtstöchiometrischen, Al-reichen und hochviskosen Glasmatrix auftreten, zu Gitterfehlern in deren Folge die Glimmerkristalle gekrümmt wachsen. Bei höheren Temperaturen und höherer Mobilität der für den Phlogopit erforderlichen Baueinheiten erfolgt die Rekristallisation zu stöchiometrischem Phlogopit. Verfestigung Die Zugabe von Zirkoniumoxid hat einen wesentlichen Einfluss auf die Festigkeit der Glimmerglaskeramik. Bereits nach der ersten Kristallisation wurden Biegefestigkeiten bis 290 MPa gemessen, gegenüber 120 MPa ohne Zirkoniumoxid. In diesem Stadium liegen die Zirkoniumoxidkristalle noch in einem nicht umwandlungsfähigen nanokristallinen Zustand vor. Durch die heterogene Keimbildung an ZrO2–Kristallen wird ein feinkörniges Phlogopitgefüge möglich, wodurch eine Verfestigung gegeben ist. Umwandlungsfähige ZrO2-Teilchen in der Restglasmatrix nach der zweiten Kristallisation konnten nachgewiesen werden. Damit wurde der Prozess der Umwandlungsverstärkung qualitativ nachgewiesen. Es trat jedoch keine signifikante Erhöhung der Bruchzähigkeit ein. Die höhere Biegefestigkeit nach der zweiten Kristallisation wird deshalb durch umwandlungsinduzierte Oberflächendruckspannung erklärt. Mikrorissverstärkung ist ein weiterer bekannter Verfestigungsmechanismus. Mikrorisse an bereits umgewandelten ZrO2-Teilchen wurden jedoch nicht beobachtet. Kristallisation weiterer Phasen Durch unterschiedliche Keimbildung und geringe Änderungen des Fluorgehaltes der Gläser konnten im zweiten Kristallisationsschritt Kornerupin, Mullit oder Spinell als weitere Phase kristallisiert werden. Kornerupin kristallisierte in Form von langen Nadeln. Schon ein geringer Anteil Kornerupin führte zu einer deutlich höheren Härte und Elastizitätsmodul. Die Bruchzähigkeit nahm etwas ab, ein signifikanter Einfluss auf die Biegefestigkeit war nicht festzustellen. Die Bearbeitbarkeit wurde signifikant schlechter. Außerdem führten relativ geringe Mengen Kornerupin zu einer starken Opakisierung des Materials. Mullit und Spinell zeigten beide eine gute Verträglichkeit mit dem Glimmergefüge, es wurden hohe Festigkeiten erreicht. Im Gegensatz zu den Kornerupin-Nadeln, welche Gefügeübergreifend wuchsen, kristallisierte, je nach Fluorgehalt, Mullit oder Spinell in den glasigen Bereichen zwischen den Glimmerkristallen. Ein negativer Einfluss auf die Bearbeitbarkeit wurde nicht festgestellt. Proben mit mehr Mullit sind jedoch weniger transluzent als Proben mit überwiegend Spinell. Bearbeitbarkeit Durch den Einsatz von Zirkoniumoxid und dessen gezielter Ausscheidung in einem zweistufigen Kristallisationsprozess wurden bearbeitbare Glimmerglaskeramiken mit deutlich höheren Festigkeitswerten hergestellt, als die der bisher bekannten Glimmerglaskeramiken. Der Widerspruch zwischen guter Bearbeitbarkeit und hoher Festigkeit konnte nicht aufgehoben werden. Es ist zwar eine Bearbeitung der Proben mit spanenden Werkzeugen möglich. Die verstärkten Proben sind jedoch deutlich schwerer zu bearbeiten, als die unverstärkten. Eine Optimierung war möglich, indem der Glimmeranteil erhöht wurde. Da die Proben mit höherem Glimmeranteil eine niedrigere Härte hatten, konnte ein inverser Zusammenhang zwischen der gemessenen Härte und der Bearbeitbarkeit festgestellt werden. Dem ursprünglichen Ziel entsprechend wurde durch die zweite Kristallisationsstufe eine Steigerung der Festigkeit erzielt, bei gleichzeitig verminderter Bearbeitbarkeit. Die hohen Erwartungen an die zweistufige Kristallisation konnten jedoch nicht erfüllt werden. Vielmehr ist bereits in einem einstufigen Prozess eine hohe Festigkeit bei noch akzeptabler Bearbeitbarkeit möglich. / The nucleation mechanism of the mica crystals of a machineable mica-glass-ceramic and the growth of the crystals were investigated. The influence of zirconia on nucleation and crystallization was a main topic. It was the aim of this work to understand the mechanical strengthening of this type of glassceramic during a second crystallization step at a temperature, which was higher than the first crystallization temperature. Strengthening was thought to occur due to the growth of the zirconia particles to a size, where transformation toughening is possible, due to a uniform fine grain size and due to additional phases, which crystallize during the second heat treatment. It was further the aim to optimize the machineability of the glass-ceramic after a first crystallization step and to achieve a high strength after the second crystallization step. The material should be useful as a dental CAD/CAM restauration. Nucleation and crystallization In the literature an amorphous phase separation (APS) is described, which enhances the nucleation of mica crystals in similar glass compositions. The TEM did not show APS in the investigated glasses. Nucleation is promoted by a primary crystallization of nanosized zirconia particles. Without the addition of zirconia a homogeneous nucleation of mica crystals occurs and the maximum nucleation rate is near the transformation temperature of the glass. Homogeneous glasses could be fabricated with the addition of up to 6 wt. % zirconia. A heat treatment of the glass blank with 6 wt. % zirconia at 60 to 100 °C above Tg leads to a homogeneous crystallization of nanocrystalline zirconia particles. These zirconia particles are heterogeneous nucleation sites for the subsequent crystallization of mica crystals and also of a chondrodite-like phase. The maximum nucleation rate is enhanced by a factor of 20- thousand compared to the zirconia free glass. The high nucleation rate makes it possible to produce a fine-grained mica-glass-ceramic in a reasonable time. No APS in advance to crystallization was detected in the zirconia containing glasses as well. At temperatures above 1060 °C, when the mobility in the glassy matrix is higher, the formation of mica crystals with regular Al-content takes place. This happens by a recrystallization process. Strengthening The addition of zirconia dramatically influences the strength of the glass-ceramic. The bending strength is up to 290 MPa after the first crystallization step, compared to 120 MPa without zirconia. At this point the zirconia particles are nanocrystalline. Because of their small grain size there is no contribution of a transformation toughening effect. The strenghtening is thus attributed to the fine-grained microstructure, which is a result of the heterogeneous nucleation of mica on zirconia particles. The process of transformation toughening was demonstrated qualitatively. There was no significant increase of the thoughness value. This is in conformity with the theory, because the amount of transformable zirconia particles is too low to create a measurable volume effect. The further increase of strength of up to 350 MPa during the second crystallization is therefore attributed to a transformation enhanced surface compression. It is possible to crystallize either kornerupine, mullite or spinel phases during the second crystallization step by applying different nucleation regimens and by different fluorine contents. Kornerupine crystallizes with a long needle-like morphology. Kornerupine comes along with higher hardness values and higher Youngs-Modulus, but transparency, machineability and fracture toughness values decreased. Mullite or spinel phases crystallized in the small glassy pockets between the mica crystals. Machineability The addition of zirconia to a mica-glass-ceramic and the controlled crystallization in a two step crystallization process results in a machineable glass-ceramic with significant higher strength than known machineable glass-ceramics. The conflict between good machineability and high strength could not be overcome. Though it was possible to machine the high strength glass-ceramic for example with hard metal tools, the machineability of the zirconia containing glass-ceramic was lower than the machineability of the glass-ceramic without zirconia and also lower than the commercial low strength mica-glass-ceramic Macor®. An optimization was possible by increasing the percentage of the mica crystals. The samples with higher crystalline content had lower hardness values, which explains the better machineability of these samples. According to the original aim, the strength increased during the second crystallization and the machineability decreased. It is questionable however, if the rather small enhancement of the mechanical properties justifies a second heating step. Good strength values are attained even after the first crystallization and machineability is adequate in some cases.

LAS-Glaskeramiken aus Keatit-Mischkristallen (KMK) sind aufgrund ihres relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (TAK) a20-700 von etwa 1·10-6 K-1 deutlich empfindlicher gegen einen äußeren Thermoschock als Glaskeramiken aus Hochquarz-Mischkristallen (HQMK) deren TAK etwa um den Faktor 10 geringer ist. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Glaskeramikplatten mit KMK als Hauptkristallphase unter entsprechenden Bedingungen eine nahezu vergleichbar hohe Thermoschockbeständigkeit besitzen können. Die vorliegende Arbeit untersuchte die Ursachen für die Thermoschock-Beständigkeit (nach der Prüfmethode Temperatur-Unterschiedsfestigkeit, kurz TUF, genannt) der KMK-Glaskeramik und zeigte Einflussgrößen zur Optimierung des Thermoschockverhaltens dieses Materials auf. Es wurde gezeigt, dass in dem Material eine grundlegende Thermoschockbeständigkeit („Grund-TUF“) durch die Kenngrößen a, E und n bedingt wird, die durch entsprechende Keramisierungsbedingungen nochmals erhöht werden kann. Diese zusätzliche Thermoschockbeständigkeit konnte auf eine Randschicht von etwa 100 µm zurückgeführt werden. Es wurde gezeigt, dass die Ursache für die verbesserte Thermoschockbeständigkeit in einer Druckvorspannung der Randschicht von weniger als 10 MPa, die über den Keramisierungsprozess eingebracht wird, liegt. Diese sehr geringen Schichtspannungen konnten über Vickerseindrücke identifiziert und mit einem Modell auf Basis der Risszähigkeit qualitativ bis semi-quantitativ beschrieben werden. Die Spannungen in der Randschicht beeinflussen die Rissausbreitung der Vickersrisse. Damit können nach Ausmessen der Risse relative Aussagen über die Spannungen und somit über die TUF der untersuchten Platte gemacht werden. Auf diese Weise konnte sowohl die TUF als Randschichteigenschaft identifiziert werden, als auch Proben mit unterschiedlicher TUF mittels geeigneter Vickerseindrücke unterschieden werden. / Because of their relatively high coefficient of thermal expansion (CTE) of about 1·10-6 K-1, LAS-type glass-ceramics consisting mainly of keatite solid solution (s.s.) are much more sensitive to fracture due to thermal shock than glass-ceramics consisting mainly of high-quartz s.s., the CTE of which is about 10 times smaller. Nevertheless, it was shown that with certain parameters a glass-ceramic consisting of keatite s.s. can be produced to satisfy the criteria for thermal shock resistance. In this work the thermal shock behaviour (TUF) in a keatite s.s. glass-ceramic was investigated and optimised. A basic thermal shock resistance (“Basic-TUF”) is caused by the parameters a, E and n which can be increased through suitable ceramisation parameters. This additional thermal shock resistance can be attributed to a surface layer of approximately 100 µm thickness. The ceramisation process can induce compressive stresses of up to 10 MPa, which increase consequently the TUF. These small stresses were semi-quantitatively characterised by the use of Vickers indentation and described by a model, based on the theory of fracture toughness. The stresses influence the crack growth of the induced cracks. The length of these Vickers cracks can be correlated to the stresses and the TUF. As a consequence the TUF can be identified as a surface near property. It is also possible to distinguish between samples with high and low TUF-values.

Universiẗat, Diss., 2001--Jena.