Optimierung kristallisationsstabiler Gläser geringer thermischer Ausdehnung mittels spektroskopischer Methoden

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Materialien mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten besitzen große Bedeutung als Konstruktionswerkstoffe für Anwendungen, in denen höchste geometrische Präzision bei Oberflächen oder Strukturen gefordert wird. Eine wichtige Stellung in diesem Bereich nehmen dotierte Kieselgläser ein, wie zum Beispiel das mit TiO2 versetzte ULE¿-Glas von Corning. Kieselgläser mit verschiedensten Dotierungen können auf pulvertechnologischem Wege mit Hilfe von Tränkverfahren einfach hergestellt werden. Leider sind die TiO2-SiO2-Gläser sehr kristallisationsanfällig, so dass ein großes Interesse an weiteren Glaskomponenten oder Glaszusammensetzungen besteht, die die Glasbildungseigenschaften positiv beeinflussen und dabei ähnlich geringes oder sogar geringeres Ausdehnungsverhalten zeigen. Eine Bewertung neuer Zusammensetzungen setzt jedoch natürlich die Bestimmung der jeweiligen Ausdehnungskoeffizienten voraus, wobei die genaue Messung sehr kleiner Ausdehnungskoeffizienten mit herkömmlichen dilatometrischen Methoden erhebliche Probleme bereitet. Für Präzisionsmessungen sind perfekte Proben von 50 bis 100 mm Länge erforderlich. Daher erscheint ein Ansatz aussichtsreich, der direkt die Glasstruktur im atomistischen Bereich mit den thermomechanischen Eigenschaften korreliert. Die Volumenausdehnung von Festkörpern bei Erwärmung ist auf die thermische Anregung von Schwingungen der Atome zurückzuführen. Die strukturspezifischen Schwingungsmoden lassen sich leicht mit Hilfe schwingungsspektroskopischer Methoden (Raman, IR) beobachten und es besteht über die Grüneisenbeziehung ein Zusammenhang zwischen den Temperaturgängen der Phononenspektren und der thermischen Ausdehnung. Ursache für negative bzw. Null-Ausdehnung sind bei der betrachteten Stoffgruppe Biegemoden mit negativem Grüneisenparameter, die die normalen positiven Anteile kompensieren. Für diese optischen Messungen reichen Proben mit einer Fläche von einigen mm2 aus. Durch Beobachtung der Temperaturgänge der Gesamtheit der Moden und Bestimmung ihrer Grüneisenparameter lässt sich also nicht nur die sich insgesamt ergebende thermische Ausdehnung abschätzen, sondern auch gezielt der Einfluss verschiedener Dotierkomponenten auf das Verhalten der Modengruppen untersuchen, um auf diesem Wege viel versprechende neue Materialkombinationen zu entwickeln.