Spröde Schale, fester Kern

News: Spröde Schale, fester Kern

Gehärtetes Glas hält eine Menge aus. Doch sobald der erste Bruch einmal da ist, gibt es kein Halten mehr. Der dann entstehende Scherbenhaufen fällt meist eindrucksvoller aus als bei nicht gehärteten Gläsern. Üblicherweise wird nämlich nur die Oberfläche des Glases durch Wärmebehandlung oder chemische Prozesse besonders verdichtet, woraus sich die höhere Härte ergibt. Ist diese Schicht aber zerstört, breiten sich die Brüche rasch aus. Materialforscher haben jetzt die festeste Schicht unter die Oberfläche verlegt. Dabei erhielten sie Gläser, in denen kleine Brüche nicht mehr zur sofortigen Zerstörung führen.

Die Härtung der Glasoberfläche kann auf thermischem oder chemischem Weg geschehen. Bei beiden Verfahren wird eine Druckvorspannung in der Oberfläche erzeugt, die das Glas stabiler gegen Zugbelastungen macht. Die thermische Härtung geschieht durch das schnellere Abkühlen des Materials an der Oberfläche gegenüber dem Inneren. Bei der chemischen Härtung wird ein gewisser Anteil der Natriumatome an der Oberfläche des Glases durch Kaliumatome ersetzt. Die Spannung bildet sich dabei aufgrund des größeren Durchmessers der Kaliumatome heraus, die im bestehenden Gefüge Platz finden müssen. Die gehärtete Oberflächenschicht ist meist weniger als einen Millimeter dick.

Solches Glas geht nicht nur schnell kaputt, sobald die Oberfläche beschädigt wurde, sondern hat auch den Nachteil, daß verschiedene Stücke unterschiedliche Härtegrade aufweisen.

Eine Gruppe von Forschern der Penn State University, der University of Trento in Italien und der Firma Caterpillar Inc. behält zwar das Verfahren der chemischen Härtung bei, geht aber in die Tiefe des Materials. "Statt einfach nur die Oberfläche zu ändern, wollten wir ein Glas so konstruieren, daß es ein bestimmtes Druckprofil hat, welches das Endprodukt stärker macht und die Qualität weniger stark schwanken läßt" erklärt David Green, der Leiter der Gruppe. Die Wissenschaftler entwickelten ein theoretischen Ansatz zur gezielten Herstellung von gehärtetem Glas und überprüften ihr Modell an einen Natrium-Aluminosilikatglas Science, 16 Februar 1999).

Wie beim konventionellen Härten ersetzten sie anfangs einen Teil der Natriumatome durch Kalium, tauschten aber danach die Kaliumatome direkt an der Oberfläche wieder durch Natrium aus. So erhielten sie ein Glas mit einer ungehärteten Oberfläche und einer gehärteten Schicht darunter. "Wenn wir die Schicht mit der maximalen Druckspannung unter die Oberfläche verlegen, wird ein Bruch, der sich von außen her ausbreitet, an dieser Schicht gestoppt", begründet Green. Bevor das Glas endgültig zersplittert, können sich viele Brüche an der Oberfläche bilden. Das kann als Warnsignal dienen, das Glas auszutauschen. Außerdem könnte es auf Grundlage des Modells möglich werden, Glas zu schaffen, das bei einer genau festgelegten Belastung bricht.

Die Härte einer Charge konventionellen Glases streut mitunter 25 Prozent um den Durchschnittswert. Bei dem nach der neuen Methode gehärteten Glas sind es nur sechs Prozent. Der Ansatz der Forscher könnte dazu führen, daß überall, wo speziell belastbares Glas gebraucht wird, sei es in Brillengläsern, Bildschirmen oder Photokopierern, dünnere Scheiben verwendet werden können und die Geräte somit leichter und trotzdem belastbarer werden.

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