Mechanische Eigenschaften transparenter Keramik im Vergleich mit gehärteten und ungehärteten Gläsern

von Helden, Sebastian; Krüger, Manja; Broeckmann, Christoph; Singheiser, Lorenz

doi:39341

Mechanische Eigenschaften transparenter Keramik im Vergleich mit gehärteten und ungehärteten Gläsern = Mechanical properties of transparent ceramics compared with hardened and unhardened glasses

von Helden, Sebastian^RWTH*

2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sebastian von Helden

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (XIV, 137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Singheiser, Lorenz (Thesis advisor)^RWTH* ; Broeckmann, Christoph (Thesis advisor)^RWTH* ; Krüger, Manja (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-05-05

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05213
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/789481/files/789481.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Energietechnik (FZ Jülich) (413410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
hardened glasses (frei) ; laminates (frei) ; mechanical properties (frei) ; spinel (frei) ; transparent ceramic (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Entwicklungsarbeiten im Rahmen dieses durch die EU geförderten EFRE-Projektes des Landes NRW waren auf eine neue Generation hochfester und extrem harter transparenter keramischer Werkstoffe und Verbunde fokussiert. Diese wurden als Teilaufgabe in bestehenden Schutzscheibensystemen als Abdeckung für Sensoren implementiert, getestet sowie bewertet. Auf diese Weise wurde die Materialentwicklung direkt an der Anwendung orientiert und es konnten durch umfassende Charakterisierungen der Materialien bzw. der Werkstoffverbunde zuverlässige Aussagen insbesondere zur Bruchstatistik und Überlebenswahrscheinlichkeit getätigt werden. Hauptaugenmerk galt dem polykristallinen Magnesiumaluminatspinell mit Handelsnamen Perlucor®, das vom Projektpartner hergestellt und weiterentwickelt wurde. Gegenübergestellt wurde eine zweite transparente Keramik in Form eines Alpha-Aluminiumoxids sowie typische kommerziell verbreitete Schutzscheiben wie Polycarbonat sowie gehärtete und ungehärtete Gläser. Unter anderem das bekannte Gorillaglas® von Corning, das heutzutage in den meisten Smartphones verbaut wird, ein standarisiertes Floatglas sowie B270®, N-BK7® und Borofloat® von Schott. Zusätzlich wurde der Effekt einer dünnen, noch verschleißfesteren γ-Al2O3-Beschichtung auf der Spinellkeramik betrachtet. Als Basischarakterisierung wurden der E-Modul, die Härte, die Risszähigkeit sowie die Biegefestigkeit aller Materialien ausführlich untersucht und verglichen. Zudem wurde für das im Fokus stehende Material Spinell das unterkritische Risswachstum und Kriechverhalten ermittelt sowie eine statistische Versagenswahrscheinlichkeit in Form eines Spannungs-Wahrscheinlichkeits-Zeit-Diagramms berechnet. Neben den mechanischen Eigenschaften wurde die Verschleißbeständigkeit in Belastungstests wie Sandstrahlversuchen und Kugelfalltests experimentell untersucht. Hierbei wurden der Massenverlust sowie der Transmissionsverlust gemessen und ein optischer Vergleich herangezogen. Ergänzend wurden fraktographische Untersuchungen mittels Licht- und Elektronenmikroskopie durchgeführt, um die bruchauslösenden Fehlstellen zu identifizieren. Auf Grundlage der zuvor ermittelten Eigenschaften der einzelnen Materialien wurden Laminate bestehend aus einer 550 μm dicken Spinelldecklage, 10 μm organischem Kleber und verschiedenen 1,8 - 2 mm dicken Glas- bzw. Kunststoffsubstraten hergestellt. Diese wurden in weiterführenden Doppelring-Biegeversuchen in zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten getestet. Die Ergebnisse wurden evaluiert und es wurden in Bezug auf einen anwendungsrelevanten Einsatz die besten Materialkombinationen empfohlen.

The development work within this EU-funded EFRE project of the state of North Rhine-Westphalia was focused on a new generation of high-strength and extremely hard transparent ceramic materials and composites. These were implemented, tested and evaluated as a subtask in existing protective panel systems as a cover for sensors. In this way, the material development was oriented directly to the application and it was possible to make reliable statements, in particular with regard to fracture statistics and the survival probability, through extensive characterization of the materials and the composites. The main focus was on the polycrystalline magnesium aluminate spinel with the trade name Perlucor®, which was produced and further developed by the project partner. A second transparent ceramic in the form of an alpha aluminum oxide was compared with typical commercially available transparent materials such as polycarbonate as well as hardened and unhardened glasses. Like the well-known Gorilla Glass® from Corning, which is installed in most smartphones today, a standardized float glass as well as B270®, N-BK7® and Borofloat® from Schott. In addition, the effect of a thin, even more wear-resistant γ-Al2O3 coating on the spinel ceramic was considered. As a basic characterization, the Young´s modulus, the hardness, the fracture tough-ness and the flexural strength of all materials were examined and compared in detail. Additionally, the subcritical crack growth and creep behavior were determined for the focus material spinel and a statistical failure probability was calculated in the form of a stress-probability-time diagram. In addition to the mechanical properties, wear resistance was also experimentally investigated in load tests such as sandblasting tests and ball drop tests. The mass loss and the transmission loss were measured and an optical comparison was used. Fractographic examinations using light and electron microscopy were carried out in order to identify the break-causing defects. On the basis of the previously determined properties of the individual materials, laminates consisting of a 550 μm thick spinel top layer, 10 μm organic glue and various 1.8 - 2 mm thick glass or plastic substrates were produced. These were tested in further ring-on-ring bending tests in two different test setups. The results were evaluated and the best material combinations were identified with regard to application-related use.

OpenAccess:
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