n MATERIALEKEMI Foto: Freepik.com Gennemsigtige glaskeramiske materialer Glaskeramiske materialer anvendes i blandt andet kogeplader, men de kan også gøres gennemsigtige som et glas, og har meget bedre brudmodstand. Af Morten M. Smedskjær, Institut for Kemi og Biovidenskab, Aalborg Universitet En dag for omkring 70 år siden op- dagede forskeren Donald Stookey fra firmaet Corning et nyt materiale, i hvad der ellers var et mislykket eksperiment [1]. Han var ved at varmebehandle en glasplade, men temperaturstyringen sad fast i ”tænd”-positionen. I stedet for at forblive ved 600°C steg ovntempera - turen til 900°C. Stookey forventede at finde en smeltet pøl af glas, men til sin overraskelse fandt han i stedet en ikke- deformeret, uigennemsigtig fast plade. Han greb en tang, trak pladen ud af den varme ovn, men den gled ud af tangen og faldt ned på betongulvet, klang som stål og forblev ubrudt. Det skulle vise sig, at han havde omdannet glasmate- rialet til et delvist krystalliseret glas, en såkaldt glaskeramik, med overlegne mekaniske egenskaber i forhold til den oprindelige glas. Kombinerer egenskaber af glas og krystal Glasmaterialer er kendetegnet ved, at atomerne ikke sidder i et velordnet git- ter modsat tilfældet i krystaller. Glas keramiske materialer fremstilles ved en kontrolleret delvis krystallisering af glas under opvarmning. Materialet indehol- der mindst én krystallinsk fase og en resterende glasfase [2]. Et eksempel på mikrostrukturen af en glaskeramik er vist i figur 1. En velkendt anvendelse fra daglig- dagen er glaskeramiske kogeplader. I denne anvendelse er en lav termisk udvidelseskoefficient (såkaldt CTE) afgørende for at undgå brud, når mate- rialet udsættes for store temperaturfor- skelle over få centimeter og for termisk Figur 1. Scanningselektronmikroskopi-billede af en typisk mikrostruktur af glaskeramik. Den primære krystallinske fase er en β -spodumen fast opløsning. Mindre faser er også synlige. Mikrostrukturen er tydeliggjort ved at opløse glasfasen med en syrebehandling. Genoptrykt figur fra ref. [2] under Open Access licens. chok, der kan opstå ved for eksempel at spilde koldt vand på en varm kogeplade [3]. Alle almindelige glasmaterialer har en positiv CTE, dvs. at de udvider sig med stigende temperatur, men visse krystaller kan trække sig sammen, når temperaturen stiger. Ved at designe og styre sammensætningen af glaskeramik- ken, kan den positive CTE af glasfasen kompenseres af den negative CTE af krystalfasen, således en samlet CTE meget tæt på nul kan opnås. Gennemsigtighed Mange anvendelser af traditionelle glas- materialer bunder i deres transparens for det synlige lys. I de fleste tilfælde mistes denne egenskab i glaskeramiker. Når krystalstørrelsen øges, falder gennem- sigtigheden på grund af lysspredning, og til sidst bliver materialet helt ugen- nemsigtigt ved en større krystalstørrelse (i mikrometer til millimeter området). Glaskeramiske materialer kan dog være transparente for synligt lys, hvis en af de følgende betingelser er opfyldt: (1) krystallerne er meget mindre end bølgelængden af synligt lys, typisk min- dre end 50-100 nanometer; eller (2) både den optiske anisotropi (dobbeltbrydning) inden for krystallerne og forskellen i brydningsindeks mellem krystaller og glas er meget små [4]. Dermed er der potentiale for at lave glaskeramiske ma- terialer, der bevarer gennemsigtigheden fra glas, men som alligevel har fordelag- tige egenskaber fra krystallerne. Jagten på høj styrke og brudsejhed Jagten på mere ridsefaste og brudsikre materialer driver i høj grad udviklingen 12 Dansk Kemi, 105, nr. 1, 2024 -
Download PDF fil
Se arkivet med udgivelser af Dansk Kemi her
TechMedias mange andre fagblade kan læses her