6. Mechanische und thermodynamische Eigenschaften

Question 1

Wodurch werden mechanische und thermodynamische Eigenschaften bestimmt?

Answer 1

• mech. Eigenschaften werden von SO4-Tetraeder Bestimmt,
• thermodynam. und mech. Eigenschaften in Gläser werden oft (nicht immer) von den Grundbaueinheiten bestimmt.
  • –> aus diesen Grundbaueinheiten werden thermomech. Eigenschaften abgeleitet.

Question 2

Mechanische Betrachtung von Gläser

Answer 2

mechanisch gesehen sind Gläser spröd-elatsische Werkstoffe,

Wie Keramik: keine Versetzungen oder Defekte, wenn man die krit. Spannung erreicht, macht es Peng und es bricht

Question 3

Betrachtungs Modus 1: Zugspannung senk. zum Defekt

Answer 3

• Riss erzeugt zwei neue Oberflächen,
• Brucharbeit W(frac unten) ist proportional zur Oberflächenspannung Delta des Glases,
• GRIFFITH-Gleichung: max. Spannung s (ic unten), die das Glas aushalten kann, ohne zu brechen, definiert seine Festigkeit und ist abhängig von der Defektgröße (Risslänge) b.

Question 4

Wovon hängt die Festigkeit eines Glases ab?

Answer 4

• von der Stärke der Atomaren Bindung,
• von dem Polymerisationsgrad ( Anz. der Bindungen je Formeleinheit)
• von der atomaren Packungsdichte (Anz. Formeleinheiten jd Raumeinheit)
• von der Art der Verknüpfung der Baugruppen.

–> individuelle Betrachtung

Question 5

Was ist entscheidend für die Festigkeit eines Glases?

Answer 5

• hoher Polymerisierungsgrad = hohe Festigkeit,
  ( hohe Polymerisierungsgrad bedeutet eine leichtere “Faltbarkeit” der Struktur und somit eine niedrigere elastische Eigenschaft.

JEDOCH

• Packungsdichte entscheidender als Grad der Polymerisierung,
• Packungsdichte entscheidend für die mech. Eigenschaften.

Bsp. Diamant vs SiC

Question 6

Bedeutung des Wert der Packungsdichte p(c unten), wenn der Kompressionsmodul K=0 vorliegt?

Answer 6

(“Perkolation”: Durchsickern, Eindringen)

• Wert 0,45 stimmt hervorragend überein mit dem Perkolationslimit einer Struktur mit Eckenverknüpften Tetraedern,
• Unterhalb einer Packungsdichte von ca. 0.45-0.43 bricht das Netzwerk zusammen –» es existieren keine festigkeitsrelevante CLuster-Vernetzungen mehr und folglich verschwindet auch die Komprimierbarkeit des Materials,
  ==> bestätigung der Perkolationstheorie im Zusammenhand mit Glas

Question 7

Berechnung el. Konstanten

Answer 7

• el. Konstanten sind miteinander Verknüpft,
• sind 2 bekannt, so lassen sich die anderen beiden daraus herleiten,
• E und u(mü) eines Glases können aus der Chemie unter Berücksichtigung weiterer empirischer Daten berechnet werden

Question 8

Inkrementelle Systeme

Answer 8

Das Prinzip der inkrementelle Systeme bestimmt eine Eigenschaft p eines Werkstoffs über seine Zusammensetzung als Molenbrüche x oder Massenbrüche y und über ein für die entsprechendes Zusamensetzungskomponente zugeordnetets Inkrement a.

• Ansatz, Eigenschaften eines Glases allein aufgrund dessen chemischer Zusammensetzung zu bestimmen.

Angabe:

• eines Gültigkeitsbereiches der Zusammensetzung,
• eines mittleren Fehlers deltap des berechneten Wertes der Eigenschaft p.

Question 9

Welche Eigenschafen lassen sich besonders gut durch Inkrementelle-Systeme beschreiben?

Answer 9

Eigenschaften, die mit den molaren Volumina verknüpft sind.

Question 10

Thermischer Ausdehnungskoeffizient:

Answer 10

zurückgeführt auf die nicht-harmonischen Schwingungen der Atome bei steigender Temperatur -> beschreibbar durch Lennard-Jones-Potenzials

• in einem Festkörper schwingt jedes Atom -> mit steigender Temperatur nimmt die Schwingung der Atome zu,
• die Schwingung ist nicht-harmonisch, da es eine minimale mögliche Annährung mit steigendem Potenzial der an den Nachbarn besteht
  ==> es kommt zu einer Zunahme des Volumens = thermische Ausdehnung

Question 11

Womit wird der thermische Ausdehnungskoeffizient gemessen?

Answer 11

mit einem Dilatometer

Question 12

Thermisches Vorspannen

Answer 12

• es wird eine höhere Festigkeit erreicht,
• Prinzip der Zwangskühlung,
• Festigkeit eines Glasprduktes wird durch Einbringen permanenter Druckspannungen in der Oberfläche erhöht:
• Probe wird erhitzt, dann abgekühlt. Innen heiß - außen kalt thermoschock, Oberfläche zieht sich zusammen)
• max. Thermoschock ist mit den TAK a bzw. der Bruchspannung verknüpft.
• entsteht geringe Zugspannung an der Oberfläche und Druckspannungen im Inneren

Question 13

Chemisches Vorspannen

Answer 13

• Steigerung der Bruchfestigkeit durch einbringen von Druck Spannungen in die Oberfläche eines Glasproduktes

Im Kalk-Natron- Silivat-Glas ist thermisches und chemisches Vorspannen möglich.

Question 14

Arten der Werkstoffverstärkung

Answer 14

• Fataler Sprödbruch in einem isotropen Material,
• Partikel Verstärkung,
• Glas-Faser Verstärkung,
• Phasentransformation induzierte Verstärkung.