Raman-spektroskopische Untersuchungen an Alkali- und Erdalkalisilicatgläsern bei hohen Temperaturen

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von Alkali- und Erdalkalisilicatglaesern bei hohen Temperaturen (bis 1800 K) mit Hilfe der Raman-Spektroskopie untersucht. Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Arbeit besteht in dem Aufbau einer Hochtemperatureinrichtung, die es erlaubt, Raman-Spektren von Silicatglaesern bei sehr hohen Temperaturen zu messen. Mit der Hochtemperatur-Raman-Spektroskopie an Silicatglaesern sind erhebliche experimentelle Schwierigkeiten verbunden: Die thermische Strahlung der Probe überlagert sich mit dem Raman-Spektrum.Die Temperaturbestimmung der Glasprobe, die einen Durchmesser von nur 0,8 mm hat, erfolgt durch den Vergleich der Stokes- und Anti-Stokes-Raman-Intensitaeten einer intensiven Linie einer Referenzprobe. Die Natriumsilicatglaeser werden detailliert untersucht und die Verteilung der Struktureinheiten in den Natriumsilicatglaesern wird zwischen Zimmertemperatur und 900 K bestimmt. Aus der Verteilung der Strukturelemente wird eine Gleichgewichtskonstante K berechnet, welche die Disproportionierungsreaktion zwischen den Struktureinheiten in den Glaesern beschreibt. Der Wert für die Reaktionsenthalpie liegt im untersuchten Konzentrationsbereich zwischen 0 und 28 kJ/mol und haengt systematisch von der Zusammensetzung ab. Die Reaktionsenthalpie nimmt mit zunehmendem Natriumoxid-Gehalt zu.Die quantitative Auswertung der Raman-Spektren der Kaliumsilicatglaeser und der Bariumsilicatglaeser ist auf Grund deren Kristallisation bei hohen Temperaturen mit Problemen behaftet.

The structure of alkali and alkaline earth silicate glasses is investigated at high temperatures (up to 1800 K) by raman spectroscopy.The construction of a high temperature apparatus is a substantial part of this work. Considerable experimental problems are associated with high temperature raman spectroscopy. The black body radiation superimposes with the raman spectrum. The temperature dertermination of the glass sample, which only has a diameter of 0.8 mm, follows from the comparison of Stokes and anti Stokes raman intensities of a strong peak in the raman spectrum of a reference sample. The sodium silicate glasses are investigated in detail. The distribution of the structural units is determined between room temperature and 900 K. An equilibrium constant K, which describes the disproportional reaction between the structural units in the glasses, is calculated. The value of the reaction enthalpy is between 0 and 28 kJ/mol. This value depends on composition systematically. The reaction enthalpy increases with higher content of sodium oxide.There are difficulties in getting a quantitative evaluation of the raman spectra of potassium silicate glasses and barium silicate glasses, because of the crystallization at high temperatures.