Chemische Veränderung von Glasoberflächen durch lonentransport im elektrischen Feld

Abstract

In einem handelsüblichen Flachglas (Kalk-Natronsilicatglas) wurde bei Temperaturen zwischen 350 und 450 °C der Einfluß elektrischer Gleichspannungsfelder auf das Diffusionsverhalten von Silberionen untersucht. Als Elektroden wurden Salzschmelzen benutzt: als Anode eine Mischung aus Silber- und Natriumnitrat, als Kathode reines Natriumnitrat. Der Einbau der Silberionen in die Glasoberfläche erfolgte aus der anodisch geschalteten Nitratschmelze (lonenaustausch mit den Natriumionen des Glases) und ließ sich mit Hilfe eines energiedispersiven Röntgenstrahlanalysators in einem Rasterelektronenmikroskop an Hand der Konzentrationsprofile verfolgen. Von Interesse waren dabei die Form der Konzentrationsprofile bei feldinduzierter Diffusion sowie die Abhängigkeit der Profilform von der Ausdehnung der Diffusionsquelle. Beide Einflüsse gestatten es, unterschiedliche Konzentrationsprofilformen zu erzeugen, z. B. Konzentrationsmaxima unterhalb der Glasoberfläche. Durch Lösung der entsprechenden Diffusions-Differentialgleichung kann der loneneinbau im elektrischen Feld rechnerisch erfaßt werden, insbesondere auch für den Übergang von unendlich zu endlich ausgedehnter Diffusionsquelle. Die mit Silberionen durchgeführten Untersuchungen sind als Modellexperimente anzusehen für die gezielte chemische Veränderung von Glasoberflächen mit austauschfähigen Ionen und damit für die gezielte Veränderung spezieller Glaseigenschaften. Chemical change of glass surfaces by ionic transport in an electric field The diffusion behaviour of silver ions in a commercial flat glass (soda-lime-silica glass) was studied between 350 and 450 °C under the influence of an electric field. Molten salts were used as electrodes, the anode being a mixture of sodium and silver nitrates, the cathode pure sodium nitrate. Transfer of silver ions into the glass surface by exchange with the anode melt occurred and concentration profiles were obtained using an energy dispersive x-ray analyser on a scanning electron microscope. Of particular interest were the shape of the concentration profiles for field induced diffusion and the effect of the extent of the diffusion source. Both factors allow to produce different concentration profiles, for example a concentration maximum below the glass surface. By solving the differenfial diffusion equation the incorporation of ions in an electric field can be calculated, in particular for the transition from an infinite to a finite diffusion source. The experiments with silver ions can serve as a model for chemical changes of glass surfaces and therefore of special glass properties produced by exchange of ions. Modification chimique des surfaces de verre par transport ionique dans un champ életrique On étudie l'influence de champs de courant continu sur les caractéristiques de diffusion d'ions d'argent dans un verre plat du commerce (verre silicosodocalcique) à des températures allant de 350 à 450 °C. On utilise des sels fondus comme électrodes: un mélange de nitrates d'argent et de sodium sert d'anode, du nitrate de sodium pur sert de cathode. L'incorporation des ions d'argent dans la surface du verre se fait à partir du mélange de nitrates anodique (échange ionique avec les ions de sodium du verre). II est possible de suivre ce mécanisme à l'aide d'un analyseur à rayons X à dispersion d'énergie dans un microscope électronique à balayage par l'intermédiaire des profils de concentration. On étudie alors la forme des profils de concentration en rapport avec la diffusion induite par le champ de même que la variation de la forme du profil en fonction des dimensions des sources de diffusion. Ces deux influences ont permis d'obtenir des profils de concentration de différentes formes, entre autres des maxima de concentration sous la surface du verre. La solution des équations différentielles correspondantes permet de calculer l'ntégration des ions dans le champ électrique surtout pour la transition entre les sources de diffusion à étendue finie et infinie. Les études effectuées à l'aide des ions d'argent doivent être considérées comme des essais modèles permettant de réaliser une modification chimique des verres par des échanges d'ions, et d'obtenir ainsi une modification des propriétés des verres.