M1 Glasbildung: Kühlkinetik

Thema

Beim Abkühlen von flüssigem Glas konkurriert die Abkühlgeschwindigkeit ständig mit der Kinetik der Keimbildung und des Kristallwachstums. Bei ausreichend Zeit würden diese Prozesse das geschmolzene Glas in einen kristallinen Feststoff umwandeln. Eine höhere Abkühlgeschwindigkeit bedeutet, dass dem geschmolzenen Glas in jedem Temperaturintervall weniger Zeit für die Keimbildung und das Kristallwachstum bleibt, um Kristalle zu bilden.

Tatsächlich existiert, wie im Uhlmann-Kriterium beschrieben, eine kritische Abkühlgeschwindigkeit, oberhalb derer die Keimbildung und das Kristallwachstum keinen messbaren Kristallanteil mehr erzeugen, bevor das geschmolzene Glas zu kalt und zähflüssig wird, um weiter zu kristallisieren. Überschreitet die Abkühlgeschwindigkeit diese kritische Geschwindigkeit, wird die Kristallisation verhindert, und das geschmolzene Glas erstarrt nicht zu einem kristallinen Feststoff, sondern behält seine ungeordnete Struktur bei. Erreicht die Abkühlgeschwindigkeit hingegen nicht diese kritische Geschwindigkeit, kann die Kristallisation vor dem Erstarren der Schmelze stattfinden.

Die mit der Abkühlgeschwindigkeit konkurrierende Keimbildungs- und Kristallwachstumskinetik wird zu jedem Zeitpunkt durch die Keimbildungsrate der Schmelze bestimmt: Je mehr Kristallisationskeime pro Zeit- und Volumeneinheit entstehen, desto schneller wächst der kristallisierte Anteil der Schmelze gemäß der Avrami-Gleichung bei gegebener Verweilzeit. Eine höhere Keimbildungsrate erschwert es bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit, die kritische Abkühlgeschwindigkeit zu überschreiten, die zur Verhinderung der Kristallisation notwendig ist.

Diese Keimbildungsrate erschwert es bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit, die kritische Abkühlgeschwindigkeit zu überschreiten, die zur Verhinderung der Kristallisation notwendig ist. Daher definiert dieses Modell, das den Fokus auf das Zusammenspiel von Abkühlgeschwindigkeit und der Kinetik von Keimbildung und Kristallwachstum legt, die Verglasung präzise als diese verhinderte Kristallisation: Die Schmelze wird nicht durch einen zusätzlichen Transformationsprozess zu diesem Glas, sondern weil die Abkühlgeschwindigkeit verhindert, dass die Keimbildungsrate und der kristallisierte Anteil – beide durch die Avrami-Gleichung bestimmt – vor der Erstarrung der Schmelze Kristalle bilden. Die Tatsache, dass diese gleiche Keimbildungsrate und der gleiche Kristallisationsgrad, die von Avrami bestimmt werden, auch dann auftreten, wenn dieses bereits gebildete Glas erneut erhitzt wird oder über längere Zeit hohen Temperaturen ausgesetzt bleibt, führt dazu, dass ein anderes Modell in dieser Gruppe diese gleichen Gleichungen als Pathologie – Entglasung – anstatt als diesen kontrollierten Glasbildungsprozess wiederverwendet.

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