SCHOTT solutions Nr. 1/2013 > Forschung und Technologie

Foto: SCHOTT/C. Costard

Unterwegs zu superfestem Glas


Die Industrie verlangt immer dünnere, aber zugleich stabile transparente Materialien. Die angewandte Forschung von SCHOTT hat deshalb ein klares Ziel: die Entwicklung von Gläsern mit immer höherer Festigkeit.


Alexander Lopez

Der Legende nach erhielt der römische Kaiser Tiberius um das Jahr 30 nach Christus ein unzerstörbares, flexibles Glas. Weil er jedoch den Wertverlust von Gold, Silber und Bronze befürchtete, beseitigte er die Werkstatt des Glasmachers.

Also aus der Traum vom biegbaren, unzerbrechlichen Glas? Nicht für die Glasforscher von SCHOTT: „Glas hat eine enorme innere Festigkeit. Heutige Glasprodukte nutzen kaum ein Prozent dieses Potenzials. Wir möchten mehr davon nutzbar machen”, so Festigkeitsexperte Dr. Markus Kuhr. Keine einfache Aufgabe: Metalle oder Kunststoffe sind flexibel und lassen sich stark verbiegen. Bei Überbeanspruchung verformen sie sich plastisch. In unserer Erfahrungswelt für Glas erscheint das alles undenkbar: Glas lässt sich nur minimal biegen oder dehnen, ehe es quasi ohne Vorankündigung bricht. Man spricht bei Glas wie auch bei Keramiken und Kristallen von sogenannten Sprödbruchmaterialien.
Differenzierte Ergebnisse zur Kratzfestigkeit von Gläsern erhalten die SCHOTT Forscher durch aufwendige Scratch-Tests. Foto: SCHOTT/C. Costard
An der realen Glasoberfläche finden sich mikroskopisch kleine Risse. Deren „Spitzen” verrunden sich unter mechanischer Belastung nicht wie bei Metallen durch plastisches Fließen. Ausgehend von einer solchen Spitze, breitet sich der Riss ab einer kritischen Zugspannung schlagartig ins Glasinnere fort und führt zum Zerbrechen des Glases.
Im Forschungszentrum in Mainz verfügt die SCHOTT Forschung und Entwicklung über modernste Geräte zur chemischen Vorspannung von Gläsern (links), zur Charakterisierung des Bulkmaterials, für Mikrostruktur-Analysen der Glasoberfläche sowie für unterschiedlichste Festigkeitstests wie etwa diesen Zweipunkt-Biegetest (Foto unten links). Foto: SCHOTT/C. Costard
Um die Belastbarkeit von Gläsern trotz dieser glaseigenen festigkeitsmindernden Mechanismen zu steigern, wird – z. B. bei Deckgläsern für Smartphones oder bei Flugzeug- und Zugverglasungen – eine Methode angewandt, mit der sich die Widerstandsfähigkeit im Vergleich zu konventionellem Glas etwa verfünffachen lässt. Durch einen sogenannten Ionenaustauschprozess wird eine je nach Glasart und Anwendung etwa 30 bis 120 Mikrometer tiefe chemische Veränderung der Glaszusammensetzung erzeugt, die dazu führt, dass sich eine Druckspannungszone ausbildet. Will sich nun ein Riss von der Oberfläche kommend mit zerstörerischer Wirkung ins Glasinnere hinein ausbreiten, muss er zunächst diese enorme Druckspannung von bis zu 1.000 MPa gleich einem Damm überwinden. Resultat: das Produkt – z. B. ein Smartphone-Deckglas – ist wesentlich weniger bruchanfällig bei mechanischer Belastung. Auch die Kratz-, Schlag- und Biegezugfestigkeit lässt sich so steigern.

Neben der absoluten Stärke der Druckspannung ist es entscheidend, wie tief diese Ionenaustauschzone in das Glas hinein reicht. Denn nur wenn Risse wie etwa Kratzer die Zone durchstoßen, verringert sich die Festigkeit des Produktes. Dieser chemische Ionenaustauschprozess wird bereits bei Flugzeug- und Hochgeschwindigkeitszugverglasungen seit längerem zur Verbesserung der Schlagfestigkeit von Windschutzscheiben verwendet wird. Inzwischen bietet SCHOTT unter der Dachmarke Xensation® auch ein einzigartig breites Spektrum von entsprechend behandelten Gläsern für unterschiedliche Touch-Technologien an.

Foto: SCHOTT/ C. Costard

Doch woran arbeiten die SCHOTT Forscher zurzeit? „Da die Gebrauchseigenschaften des Produktes durch die mikroskopischen Eigenschaften bestimmt werden, haben wir uns das Ziel gesetzt, auf atomarer Ebene ein möglichst flexibles Glas zu finden“, erläutert Materialentwickler Dr. Ulf Dahlmann. „Wir möchten dem Glas einen Teil der plastischen Eigenschaften von Metallen und Polymeren mitgeben, ohne seine herausragenden Eigenschaften wie Festigkeit oder optische Qualität zu mindern. Die Ursache für das Sprödbruchverhalten von Glas liegt tief in der Natur der atomaren Bindungen und chemischen Struktur in Gläsern. Wer diese Zusammenhänge versteht, findet auch Schlüssel zu neuen Lösungswegen.” Es gilt also die Fähigkeit zu plastischer Verformung unter Druck zu steigern. SCHOTT Forscher sind einigen glasbildenden Elementen auf der Spur, die diese Eigenschaften fördern. Sie müssen dazu jedoch im passenden Glasnetzwerk in der passenden Vernetzung eingebunden sein. Eine komplexe Aufgabe also, bei der Modelle zur Glasstruktur und Untersuchungen zur Strukturmechanik genauso gefordert sind wie Glaschemiker und -technologen, die Zusammenhänge experimentell aufzeigen und die Grenzen des technologisch und kommerziell Machbaren verschieben.

Welche Visionen stehen hinter solchen Entwicklungen? Beispielsweise ein Glas, das mit der richtigen Mischung zwischen Härte und Weichheit auf Kratzeinwirkungen reagiert, so dass die Kanten von möglichen Kratzern nicht mehr spröde ausbrechen, sondern plastisch weich zerfließen und damit weniger sichtbar werden. Oder aber ultradünne Gläser, die – ähnlich einer Glasfaser – flexibel biegbar sind und so völlig neue Produktionsprozesse und Produkte ermöglichen. Für diesen Zweck entwickelt SCHOTT bereits ein Glasprodukt mit höchster Kantenfestigkeit. Auch hier spielt die Wechselwirkung von Schneidverfahren und Reaktion des Materials die entscheidende Rolle.

Damit ist man gut gerüstet für die Entwicklung der superfesten Gläser von morgen. „Flexible Dünnstgläser oder leichte hochfeste Gläser können in den nächsten zehn Jahren zu einer wahren Technologie- und Produktrevolution in Elektronik, Licht- und Haustechnik, Mobilität und Industrieanwendungen beitragen”, so Dr. Rüdiger Sprengard, Leiter Produktentwicklung in der SCHOTT Forschung. Vielleicht wird es in ferner Zukunft tatsächlich einmal Realität: „Vitrum flexile”, das flexible, unzerstörbare Glas aus der Antike. <

Festigkeitssteigerung durch Ionentausch