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Rheologische Untersuchungen an Silikatglas

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  • Ddc:550

Abstract

Mit Hilfe von Torsionsexperimenten in einem Temperaturbereich von 350° C bis 470° C und einer Anregungsfrequenz von 2*10^{-3} bis 20 Hz ist der komplexe Schermodul G* von Lithiumdisilikatgläsern, welche sich durch einen unterschiedlichen Kristallgehalt auszeichnen (4 Proben, Kristallgehalt: Glas 0=0%, Glas 1=19%, Glas 3=22% und Glas 5=27%), gemessen worden. Hierdurch können weitere rheologische Eigenschaften der Gläser wie der Dämpfungsfaktor \( Q^{-1}, die Viskosität eta und die Aktivierungsenergie E_{alpha} einer Diffusion ermittelt werden. Die Auswertung der Rohdaten des Betrages des komplexen Schermoduls G* und der dazugehörigen Phasenverschiebung phi der Glasproben zeigen eine Zunahme des jeweiligen Wertes bei Erniedrigung der Frequenz und Erhöhung der Temperatur bei steigendem Kristallgehalt. Dies ist dadruch erklärbar, daß ein effektives Schermodul gemessen wird, welches sich aus dem Schermodul der Glasschmelze und dem Schermodul der Kristalle zusammensetzt. Bei Erhöhung der Temperatur erweicht die Glasschmelze langsam, während die Kristalle gegenüber der Glasschmelze hart bleiben. Dies führt zu einem effektiv höheren Schermodul. In den Rohdaten ist bei allen Glasproben die gleiche lineare Zunahme des Dämpfungsfaktors Q^{-1} mit Erniedrigung der Anregungsfrequenz und Erhöhung der Temperatur festzustellen. Somit kann gesagt werden, daß Q^{-1} bei diesen Temperaturen und Anregungsfrequenzen unabhängig vom Kristallgehalt ist. Die gemessenen Werte von Q^{-1} liegen in einem Bereich von 1-0,001. Diese lineare Zunahme bleibt bis hin zu einer Temperatur von 456°C bei Glas 0 und 470°C bei Glas 5 erhalten. Erst dann zeigt sich in einem Anregungsfrequenzbereich von \( 2*10^{-3} - 10^{-2} Hz eine leichte Änderung von Q^{-1} mit steigendem Kristallgehalt. Bedingt durch die Schranken, daß nicht bei höheren Temperaturen als 470°C gemessen werden darf und daß die minimale Anregungsfrequenz der Torsionsmaschine bei 2*10^{-3} Hz liegt, kann diese Änderung in Q^{-1} nicht weiter untersucht werden. Der in der Seismologie interessante Bereich, welcher bei Q^{-1} < 0,01-0,001 liegt, konnte bei diesen Experimenten nicht erreicht werden, da die technischen Voraussetzungen der Torsionsmaschine nur eine genaue Messung von Q^{-1}\approx 0,01 erlauben. Vorliegende Meßdaten, die ein kleineres Q^{-1} als 0,01 aufweisen, streuen zu sehr und sind somit für eine verläßliche Aussage für die Seismologie unbrauchbar. Mit Hilfe des Verfahrens der Masterkurven konnte gezeigt werden, daß sich die rheologischen Eigenschaften von Lithiumdisilikatglas nicht durch einen Maxwell-Körper beschreiben lassen sondern hierzu ein generalisierter Maxwell-Körper nötig ist. Die voneinander unabhängigen Berechnungen der Aktivierungsenergie aus dem Dämpfungsfaktor Q^{-1} und aus den Masterkurven zeigen innerhalb der Fehlerschranken keine Veränderung der gemessenen Werte der Aktivierungsenergie auf. Die Werte sind jedoch fast um die Hälfte kleiner als der in der Literatur angegebene Wert. Es ist ein Verfahren entwickelt worden, welches unter gewissen Voraussetzungen mit Hilfe des Konzeptes der Masterkurven eine Bestimmung einer unbekannten Viskosität eines viskoelastischen Materials bei der Temperatur \( \widetilde{T} \) in Abhängigkeit des Kristallgehaltes ermöglicht. Voraussetzung zur Bestimmung der unbekannten Viskositäten bei unterschiedlichen Kristallgehalten ist es, daß zumindest eine Viskosität bei der Temperatur \( \widetilde{T} \) und ein Kristallgehalt bekannt sind und daß sich die Form des Spektrums des generalisierten Maxwell-Körpers, der das Glas beschreibt, bei einer Variation des Kristallgehaltes nicht verändert. Des weiteren konnte gezeigt werden, daß die Einstein-Roscoe-Formel, welche die effektive Viskosität einer Flüssigkeit in Abhängigkeit der Kristallgeometrie und des Kristallgehaltes beschreibt (15), auch auf die Lithiumdisilikatglasproben, welche einen unterschiedlichen Kristallgehalt jedoch weniger als 30% aufweisen, anwendbar ist.

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