A systematic approach to fibre glass development

Kölker, Klara; Conradt, Reinhard (Thesis advisor); Roggendorf, Hans (Thesis advisor); Roos, Christian Hans-Georg (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Mit Hilfe theoretischer Glasentwicklung auf der Grundlage von thermodynamischen Daten ist es möglich, physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Glases vor dem eigentlichen Schmelzprozesses abzuschätzen. Durch den Ersatz des konventionellen empirischen Ansatzes durch eine systematische Vorgehensweise kommt es zu Zeit- und Kostenersparnissen.Bei der Entwicklung einer neuartigen Faserglaszusammensetzung wird eine neue theoretische Strategie angewendet. Diese basiert auf dem konstitutionellen Ansatz zur Beschreibung des Glaszustandes. Da die Eigenschaften eines glasbildenden Systems eng mit den Eigenschaften der im Gleichgewicht gebildeten Phasen verknüpft sind, ist es mit Hilfe thermodynamischer Daten des kristallinen Referenzzustandes möglich, genaue Vorhersagen über den glasförmigen Zustand zu treffen.Mit Hilfe des thermochemischen Computerprogramms FactSageTM werden die konstitutionellen Bereiche der glasbildenden Systeme CaO-ZnO-Al2O3-SiO2 (CZAS) und CaO-P2O5-Al2O3-SiO2 (CPAS) untersucht. Dann werden die oxydischen Zusammensetzungen und die entsprechenden Liquidustemperaturen invarianter Punkte der konstitutionellen Untersysteme berechnet. Am Ende der theoretischen Arbeiten steht für jedes der glasbildenden Systeme ein Netzwerk aus quaternären invarianten Punkten, deren Schmelztemperaturen und den jeweiligen Sättigungs-linien.Gemäß vorgegebenen Kriterien aus dem industriellen Faserprozess, die sich auf eine Liquidustemperatur kleiner 1200 °C, eine Zerfaserungstemperatur auf dem Viskositätsniveau von log η = 3 (η in dPa·s) und ein resultierendes ΔT = T3 - Tliq von mindestens 60 K beziehen, können vier passende oxydische Zusammensetzungen aus dem System CZAS (e, f, g und v) und sechs aus dem System CPAS (5, 6, 7, 12, 13 und 15) gewonnen werden. Dieses Gläser werden geschmolzen, aufbereitet und ihre Eigenschaften experimentell bestimmt.Die Zusammensetzungen werden hinsichtlich ihrer Glasbildungseigenschaften, der Kristallisationsneigung, des Temperatur-Viskositätsprofils, der Zerfaserungseignung und gewisser Produkteigenschaften wie Steifigkeit, Zugfestigkeit und chemischer Beständigkeit bewertet.Letztlich verbleiben aus dem System CZAS zwei (e und f) und aus dem System CPAS eine (13) oxydische Zusammensetzungen, die als Basis für kommerziell produzierte Verstärkungsfasern aus Glas in Frage kommen. Dies beweist, dass die vorgestellte Vorgehensweise zur Vorhersage von Glaseigenschaften und gezielten Entwicklung von Grundzusammensetzungen mehrkomponentiger glasbildender Systeme geeignet ist.

Einrichtungen

  • Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik [520000]
  • Lehrstuhl für Glas und Glaskeramik [524210]

Identifikationsnummern