Molecular structure-property relationships of network glasses under mechanical loading

Ebrahem, Firaz; Markert, Bernd (Thesis advisor); Rolfes, Raimund (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Report. IAM, Institute of General Mechanics IAM-09
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Im Allgemeinen sind Gläser harte und transparente Feststoffe, die sehr korrosionsbeständig sind und herausragende elektrische und thermische Isoliereigenschaften zeigen. Daher werden Gläser in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt. Trotz umfassender Forschung über ihre Struktur und Eigenschaften ist das hochkomplexe mechanische Verhalten bislang kaum verstanden. Es ist weithin anerkannt, dass der Zusammenhang zwischen der Struktur und des Verhaltens von zentraler Bedeutung für die Werkstofftechnologie ist. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich die Suche nach Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für Kristalle als erfolgreich erweisen. Die Periodizität kristalliner Werkstoffe ermöglicht eine klare Darstellung der molekularen Struktur, z.B. durch die Beobachtung von Versetzungen mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie. Dies führte zur Entwicklung von Materialmodellen, z.B. der Kristallplastizität, die auf den Versetzungsgleitmechanismen im Kristallgitter basiert. Für Gläser hingegen ist die Entdeckung solcher Zusammenhänge erschwert durch die Bildgebungsproblematik der Struktur aufgrund der fehlenden Fernordnung. Dennoch ist es einleuchtend, dass die Glaseigenschaften von der molekularen Struktur abhängen. Daher ist das Ziel dieser Dissertation zu verstehen, wie diese Struktur das Deformationsverhalten von Glas bestimmt. Mithilfe von molekularen Simulationen werden die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für Quarzglas untersucht, das ein Netzwerk von kovalent gebundenen Silizium- und Sauerstoffatomen aufweist. Dabei liegt der Schwerpunkt auf numerische Methoden und Ansätze, welche ein quantitatives Engineering von Netzwerkgläsern mit gewünschten Eigenschaften ermöglichen. Zunächst wird 3D-Quarzglas durch Abschreckung der Schmelze erzeugt. Obwohl es keine Fernordnung aufweist, kann das Glasnetzwerk anhand der Ringtopologie, d.h. der Ringgrößenverteilung, statistisch ausgewertet werden, wobei sich ein Ring aus mehreren kovalenten Bindungen zusammensetzt. Durch unterschiedliche Abschreckungsraten wird gezeigt, dass der thermische Verlauf die Netzwerktopologie stark beeinflusst. Die anschließende Deformation der Glasproben ergibt, dass die sich ändernde Netzwerktopologie in Spannungs-Dehnungs-Diagrammen resultiert, welche sich signifikant unterscheiden. Basierend hierauf kann insbesondere das plastische Verhalten in direktem Zusammenhang mit der Netzwerktopologie gebracht werden. Des Weiteren wird ein 2D-Glasmodell vorgestellt, das auf statistischen Daten von kürzlich entdecktem 2D-Siliziumdioxid basiert. Die Zweidimensionalität dieses Modells ermöglicht die direkte Beobachtung der molekularen Struktur während der Deformation. Dadurch können die Schwierigkeiten bei der Erfassung des komplexen 3D-Netzwerks von Quarzglas umgangen werden. Das 2D-Quarzglas wird sowohl unter Zug- als auch unter Scherverformung untersucht. Die athermische quasi-statische Deformationsmethode wird eingesetzt, um zu ermitteln, wie die rein strukturelle Unordnung mit der Spannungsreaktion korreliert. Hier ist das Hauptziel die Identifizierung und Auswertung der elementaren plastischen Ereignisse, die lokalisierte Umordnungen einiger weniger Atome umfassen. Zusätzlich wird der kristallin-zu-gläsern-Übergang durch die Abstimmung der Netzwerkstruktur erforscht.

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