Zur Festigkeit ZnO-haltiger Hoch-Spodumen-Glaskeramik

Abstract

In ZnO-haltigen Lithium-Aluminium-Silicat-Glaskeramiken, die überwiegend aus Hoch(= h)-Spodumen-Mischkristallen aufgebaut sind, wurden in Abhängigkeit vom Umwandlungsprogramm erhebliche Unterschiede der Biegezugfestigkeit gefunden. Diese beruhen auf Druckvorspannung der Oberflächenschicht. Die Oberflächenschicht verarmt bei Temperungen im Bereich über 1000 °C merklich an ZnO. Diese Verarmung bewirkt den Aufbau von Druck-spannungen auf zweierlei Weise : Einmal bildet sich oberflächlich weniger Gahnit als im Inneren, und die Oberflächenschicht hat folglich eine geringere Längen-Ausdehnung als das Innere, zum anderen aber wird im Inneren mit sinkender Temperatur zusätzliches ZnAl₂O₄ aus den h-Spodumen-Mischkristallen unter Nachbildung von Gahnit ausgeschieden. Dieser Vorgang ist mit einer deutlichen Volumenschrumpfung verbunden, die die Oberflächenschicht unter zusätzliche Druckspannung setzt. Im Gegensatz zu den bekannten Ionenaustauschverfahren wird die Festigkeitssteigerung der Glaskeramik beim hier beschriebenen Mechanismus in erster Linie durch kristallchemische Vorgänge im Inneren des Materials bewirkt. On the strength of ß-spodumene glass-ceramics containing ZnO Glass ceramics made from lithia-alumina-silica compositions containing zinc oxide and being largely composed of ß-spodumene mixed crystals show considerable variations in bending strength as the heat treatment is varied. This is related to compressive stresses in the surface layer. The surface layer has a significantly reduced ZnO content above about 1000 °C and this affects the production of compressive stresses in two ways : Firstly, less Gahnite may form in the surface layer than in the bulk giving it a lower coefficient of expansion ; secondly, as the temperature falls additional ZnAl₂O₄ may separate out from the ß-spodumene mixed crystals in the Body and lead to further formation of Gahnite. The latter process involves a significant volume contraction thereby producing additional surface compression. This mechanism for increasing strength of glass-ceramics depends chiefly on processes of crystal chemistry within the material, unlike the more familiar ion exchange process. Résistance d'une vitrocéramique contenant ZnO et à base de spodumène h Dans les vitrocéramiques lithium-aluminium-silice conte-nant ZnO, qui sont constituées surtout de cristaux mixtes de spodumène h, on relève des différences notables de ré-sistance à la flexion en fonction du programme de transfor-mation, différences qui sont dues à la trempe par compression de la couche superficielle. Aux températures supérieures à 1000 °C, la couche superficielle s'appauvrit sensiblement en ZnO. Cet appauvrissement agit de deux manières sur la formation de contraintes de compression : Parfois, on observe en surface une formation de gahnite plus faible que dans le cceur et la couche superficielle se dilate donc moins fortement en longueur que l'intérieur du verre. Dans d'autres cas, par contre, une précipitation supplémen-taire de ZnAl₂O₄ intervient à l'intérieur à partir des cristaux mixtes de spodumène h lorsque la température décroit, avec formation de gahnite. Ce phénomène est lié à une diminution sensible de volume qui place encore davantage la couche superficielle sous une tension de compression. A l'opposé du procédé bien connu par échange ionique, l'augmentation de résistance de la vitrocéramique obtenue par le mécanisme ci-dessus est due en premier lieu à des phénomènes cristallochimiques à l'intérieur du matériau.