19.03.2019

Vickerseindruck in Glas unter polarisiertem Licht

Ein kontrolliert eingebrachter Eindruck verursachte Risse im Glas. "Vickers-Eindruck" unter polarisiertem Licht.

Quelle: BAM, Fachbereich Glas

Glas verhält sich ähnlich wie fest gewordener Honig, der beim Erwärmen flüssig wird. Risse fließen einfach zu.

Materialforscher und -forscherinnen nutzen die Natur gern als Inspirationsquelle. Lebenszyklen etwa spielen in der Natur aber auch bei Materialien und Werkstoffen eine wichtige Rolle. Es ist faszinierend zu beobachten, wie die Natur mit Störungen umgeht, z. B. mit Verletzungen. Nicht selten entwickeln Lebewesen oder auch anorganische Materialien in der Natur Selbstheilungskräfte und leben dadurch länger. Wunden heilen und Risse schließen sich ohne äußeres Zutun von selbst. Wie kann man auch technische Werkstoffe dazu bringen, sich selbst zu heilen? Für Dr. Ralf Müller und Carsten Blaeß vom Fachbereich Glas ist dies wichtig zu wissen. Wenn es ihnen gelingt, die Selbstheilungskräfte in Materialien wie Glas und Glaskeramik zu aktivieren, kann das für komplexe technische Systeme lebensverlängernd sein.

Wenn in einem geschlossenen System an einer Stelle ein Defekt auftritt, funktioniert oft das gesamte System nicht mehr. Ein solches komplexes System ist z. B. die Hochtemperatur-Brennstoffzelle (SOFC). Dort sind die in so genannten „Stacks“ hintereinander geschalteten einzelnen Zellen mit einem Material abgedichtet, das unterschiedlichste Eigenschaften in sich vereinen muss: Es muss viele zehntausend Stunden lang der hohen Betriebstemperatur von ca. 850 °C widerstehen, das Material muss formstabil und gasdicht sein, elektrisch isolieren und den Transport von Wasserstoff und schädlichen Korrosionsprodukten unterdrücken. Und vor allem: Es muss zahlreiche Aufheiz- und Abkühlprozesse überstehen ohne zu reißen. Das bedeutet hohe Belastungen für das verwendete Dichtungsmaterial.

Dr. Müller weiß: "Die gegenwärtig eingesetzten glaskeramischen Dichtungen sind weit entwickelt und erfüllen die komplexen Anforderungsprofile schon sehr gut. Bei laufendem Betrieb und durchgehend gleicher Temperatur gibt es kaum Probleme." Nach dem An- und Abschalten entstehen jedoch große Temperaturunterschiede, die Dichtungsmaterialien dehnen sich aus und ziehen sich wieder zusammen. In den Dichtungen dürfen dadurch keine Risse entstehen, und wenn doch, wäre es gut, wenn diese von selbst wieder „heilen“ würden und es zu keinem Funktionsverlust kommt.

Doch welchen Einfluss hat das glaskeramische Mikrogefüge der Dichtung auf die Rissheilung? Gibt es ein optimales Gefüge?

Zusammenhänge verstehen

Glas ohne kristalline Einschlüsse scheint für die Heilung von Rissen besonders gut geeignet zu sein, denn Glas besitzt eine amorphe, d. h. eine ungeordnete Struktur. Bei einer Temperatur oberhalb des so genannten Glasübergangs fängt es an, viskos zu fließen. Bei Fensterglas liegt diese Temperatur bei ca. 500°C. Dabei verhält sich Glas ähnlich wie fest gewordener Honig, der beim Erwärmen flüssig wird. Risse fließen einfach zu, die Bestandteile im Glas arrangieren sich neu, ohne die amorphe chemische Struktur des Glases zu verändern. Die ursprünglichen Eigenschaften bleiben erhalten. Doch die Mobilität hat ihren Preis: Die Glasdichtung ist wenig formstabil und schädliche Korrosionsprodukte können sich leicht im Material ausbreiten. Dieses Glas reagiert mit den angrenzenden Materialien, z. B. mit chromhaltigem Stahl.

Das andere Extrem sind vollständig kristallisierte Gläser, die eher Keramiken ähneln. Sie sind auch bei hohen Temperaturen oberhalb von 1000°C sehr steif. Dadurch sind sie mechanisch belastbarer und erschweren außerdem den Transport von Korrosionsprodukten. Allerdings verfügen sie nicht über die erwünschten Selbstheilungskräfte.

Die Suche nach dem perfekten Gefüge

Dr. Müller und Carsten Blaeß standen vor der Aufgabe, die beiden Extreme gegeneinander abzuwägen. Ihr Ziel war es, einen Sicherheitsmechanismus zu entwickeln, mit dem Schäden an Dichtungsmaterialien aus Glas in geschlossenen Systemen 'lokal' von selbst ausheilen. Der Mechanismus soll genau dort wirken, wo Schäden auftreten. Dazu sollte das natürliche Riss-Heilungsvermögen des Glases genutzt werden, also dessen Fähigkeit, bei bestimmten Temperaturen viskos zu fließen. Gleichzeitig sollte der 'globale' Transport von Korrosionsprodukten im Gesamtsystem möglichst weit eingedämmt werden.

Vom Modellsystem zur Anwendung in der Praxis

Carsten Blaeß: "Am Anfang suchten wir akribisch nach einer geeigneten Modellkombination aus Glas und Keramik für die Experimente. Die zu finden war nicht ganz einfach." Dann fertigte Carsten Blaeß Probekörper mit verschiedenen Mischungsverhältnissen aus Glas und Keramik an, in die er mit Hilfe so genannter Vickers-Eindrücke gezielt Risse einbrachte. Die Proben lagerte er im Anschluss bei konstanter Temperatur im Ofen und untersuchte sie nach bestimmten Zeitintervallen mit einem Laser Scanning Mikroskop (LSM), um Veränderungen der Risslänge, -breite und -tiefe zu dokumentieren. Die entscheidende Beobachtung war, dass sich in Abhängigkeit der Zeit und der Viskosität des jeweiligen Glases die Risse schlossen. Die Daten wurden aufgezeichnet und ausgewertet. Optisch stellten die beiden Wissenschaftler diese Mechanismen in einer Master-Kurve dar, in der schließlich alle Heilungskurven für verschiedene Temperaturen auf einer Linie lagen. Auf die Praxis übertragen bedeutet dies: Wenn bestimmte Faktoren wie die Temperatur und Glasviskosität bekannt sind, können die Wissenschaftler die Dauer der Rissheilung vorhersagen.

Selbstheilendes Glas: Risse heilen zu.

Spezialglas kann Selbstheilungskräfte aktivieren. Risse heilen ohne Zugabe von weiterem Material zu.

Quelle: BAM, Fachbereich Glas

Darüber hinaus haben die beiden Wissenschaftler eine Kombination aus Glas und Keramik gefunden, die 'lokal' immer noch fließfähig ist, sich 'global' aber genügend starr und steif verhält. Damit gelang eine Kombination der Vorteile der beiden Dichtungskonzepte Glas und Glaskeramik. Für die Erhöhung der Lebenszyklen von SOFC-Brennstoffzellen ist dies vielversprechend.

Einzelergebnisse zu den Untersuchungen werden in einer Dissertation veröffentlicht. Ein erster Fachartikel ist bereits erschienen.

Infos zum Thema Wasserstoff und Brennstoffzellen finden Sie im Dossier Wasserstoff.