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Werkstoff Glas: Alter Werkstoff mit großer Zukunft PDF

206 Pages·2014·4.916 MB·German
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TECHNIK IM FOKUS DATEN FAKTEN HINTERGRÜNDE Helmut A. Schaeffer Roland Langfeld Werkstoff Glas Alter Werkstoff mit großer Zukunft Technik im Fokus (cid:2) Helmut A. Schaeffer Roland Langfeld Werkstoff Glas Alter Werkstoff mit großer Zukunft HelmutA.Schaeffer RolandLangfeld Berlin,Deutschland FrankfurtamMain,Deutschland ISSN2194-0770 ISBN978-3-642-37230-8 ISBN978-3-642-37231-5(eBook) DOI10.1007/978-3-642-37231-5 DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNa- tionalbibliografie;detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d- nb.deabrufbar. SpringerVieweg ©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Ver- wertung,dienichtausdrücklichvomUrheberrechtsgesetzzugelassenist,bedarfder vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen,Übersetzungen,MikroverfilmungenunddieEinspeicherungundVer- arbeitunginelektronischenSystemen. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungenusw.in diesemWerkberechtigtauchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme, dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen-undMarkenschutz-Gesetzgebungals freizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften. Fotonachweis Umschlag: Parabol-Spiegelrinne eines Solarkraftwerks mit Receiver- RohreninderBrennlinie(Bildrechte:SCHOTTAG) GedrucktaufsäurefreiemundchlorfreigebleichtemPapier. SpringerViewegisteineMarkevonSpringerDE.SpringerDEistTeilderFachver- lagsgruppeSpringerScience+BusinessMedia www.springer-vieweg.de Vorwort KaumeinMaterialfasziniertunsso sehrwiederWerkstoffGlas. Seine LichtdurchlässigkeitschätzenwirbeiVerglasungenvonGebäuden,seine chemischeBeständigkeitbeiFlaschenundGläsern.Undwirerfreuenuns an der Vielzahl der künstlerischen Glasobjekte aus Vergangenheit und Gegenwart,diedienahezuunendlichenMöglichkeitenderFormgebung undBearbeitungvorAugenführen. Dabeiistunsnichtbewusst,dasserstderEinsatzdesWerkstoffsGlas die Funktion von technischen Geräten und Systemen ermöglicht: op- tische Gläser in Objektiven von Kameras und Endoskopen, Glaswolle fürdieSchall-undWärmedämmung,dünnesFlachglasfürBildschirme, LaptopsundSmartphonessowieGlasfasernfürdieTelekommunikation. Diese vielfältigen Anwendungenbenötigen unterschiedlich zusammen- gesetzteGläserundstellensomitimmerneueHerausforderungenandie ForschungundtechnischeUmsetzung. Mit dem vorliegenden Buch zeichnen die Autoren den langen Weg desGlasesbeginnendmitdenfrühenhistorischenKunstobjektenbiszu den innovativen Anwendungen nach. Glaskomposition und Glaseigen- schaften, die Prozessabläufe beim Schmelzen von Glas sowie Formge- bungsverfahren sind Themen des Buches, die dem interessierten Leser dieunerschöpflicheWeltdesGlaseserschließen. BerlinundFrankfurtamMain,Juli2013 HelmutA.Schaeffer RolandLangfeld V Inhaltsverzeichnis 1 WasistGlas? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 GeschichtedesGlases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2.1 FrüheHerstellungvonGlas. . . . . . . . . . . . . 3 1.2.2 GlasderAntike . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2.3 VenedigunddieeuropäischeGlaskunst . . . . . 6 1.2.4 ErstetechnischeAnwendungenvonGlas . . . . 9 1.2.5 AutomatisierungenderHerstellung . . . . . . . . 10 1.2.6 Glas-Innovationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3 Glasstruktur–IstGlaseineFlüssigkeit? . . . . . . . . . 15 1.3.1 StrukturelleBeschreibungdesGlaszustandes . . 17 1.4 Visko-elastischesVerhaltenvonGlas . . . . . . . . . . . 23 1.5 KeimbildungundKristallisation . . . . . . . . . . . . . . 24 1.6 ZusammensetzungundEigenschaftenvonGläsern . . . 28 1.6.1 Netzwerkbildner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.6.2 Netzwerkwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.6.3 Zwischenoxide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.6.4 BeispielefürGlaszusammensetzungen . . . . . . 30 1.6.5 WirkungvonFarboxiden . . . . . . . . . . . . . . 34 1.6.6 KolloidaleFärbung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2 GlasundseinevielfältigenAnwendungen . . . . . . . . . . 41 2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2 GlasfürVerpackung,LaborundPharmazie . . . . . . . 42 2.2.1 PhysikalischeundchemischeEigenschaften . . 42 VII VIII Inhaltsverzeichnis 2.2.2 Glas-VerpackungfürGetränkeundLebensmittel 48 2.2.3 GläserfürLaborundIndustrie . . . . . . . . . . . 50 2.2.4 GläserfürPharmazieundMedizin . . . . . . . . 54 2.3 Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.2 TransmissionundAbsorptiondesLichtes . . . . 57 2.3.3 LichtbrechungundDispersion . . . . . . . . . . . 60 2.3.4 QualitätsmerkmaleoptischerGläser . . . . . . . 63 2.3.5 BrechzahlundAbbe-Zahl . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.6 OptischeSysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.3.7 Lichtleitfasern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.3.8 AktiveGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.3.9 SubstratefüroptischeAnwendungen mithöchsterFormkonstanz . . . . . . . . . . . . . 73 2.4 ArchitekturundAutomobilbau . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.4.2 Glasspiegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.4.3 Wärmeschutz-undSonnenschutzgläser . . . . . 78 2.4.4 EntspiegelteGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 2.4.5 GläsermitelektrischleitfähigenBeschichtungen 82 2.4.6 GläsermitvariablerLichtdurchlässigkeit . . . . 84 2.4.7 SelbstreinigendesGlas . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.4.8 Festigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.5 ElektrotechnikundElektronik . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.5.1 AnwendungvonGlasinElektrotechnik undElektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.5.2 PhysikalischeGrundlagen. . . . . . . . . . . . . . 98 2.5.3 Einschmelzgläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.5.4 GläserzumLötenundPassivieren. . . . . . . . . 104 2.5.5 SubstratgläserfürdieElektronik. . . . . . . . . . 105 2.6 Lampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.6.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.6.2 Glühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.6.3 Halogenglühlampen . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.6.4 Gasentladungslampen . . . . . . . . . . . . . . . . 110 2.6.5 Halbleiter-Lichtquellen(LEDs) . . . . . . . . . . 112 2.7 Energie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Inhaltsverzeichnis IX 2.7.1 ThermischeIsolation . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.7.2 AnwendunginderSolartechnik: SolarthermieundPhotovoltaik . . . . . . . . . . . 114 2.7.3 SpezialgläserfürdenEinsatz indersolarthermischenStromerzeugung. . . . . 116 2.8 Telekommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 2.9 AndereAnwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 2.9.1 AnwendungeninderNukleartechnik . . . . . . . 119 2.9.2 GlaskeramikimHaushaltundinderIndustrie . 122 2.9.3 Bioglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 2.9.4 Glasflakes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 2.9.5 Mikro-Glaskugeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 2.9.6 OptischeDatenspeicherung . . . . . . . . . . . . . 129 WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 3 Herstellung–SchmelzenundFormgebungvonGlas . . . 131 3.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.2 GlasrohstoffeundRecyclingscherben . . . . . . . . . . . 131 3.3 Glasschmelzöfen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3.3.1 Energiebedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 3.3.2 Flammenbeheizung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.3.3 Elektrobeheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 3.3.4 Umweltschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 3.4 Formgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.4.1 HerstellungvonFlachglas. . . . . . . . . . . . . . 143 3.4.2 HerstellungvonBehälterglas . . . . . . . . . . . . 148 3.4.3 HerstellungvonRohren . . . . . . . . . . . . . . . 156 3.4.4 HerstellungvonGlasfasern . . . . . . . . . . . . . 159 3.5 UnkonventionelleGlasherstellverfahren . . . . . . . . . 162 3.5.1 Flammenhydrolyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 3.5.2 Sinterverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 3.5.3 Sol-GelVerfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 3.5.4 BiogeneGläser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 X Inhaltsverzeichnis 4 DieZukunftdesGlases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.2 Dünnstgläser:GlasvonderRolle. . . . . . . . . . . . . . 171 4.3 HochfestesGlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 4.4 EnergieeinsparungbeiderGlasherstellung . . . . . . . . 177 4.5 UmweltschutzundVerknappungvonRohstoffen . . . . 180 4.6 MetallischeGläser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 4.7 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 WeiterführendeLiteratur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 5 Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.1 VerbändeundOrganisationen . . . . . . . . . . . . . . . . 189 5.2 DeutscheUniversitätenundInstitutemitGlasbezug . . 190 5.3 AusgewählteMuseenrundumsGlas . . . . . . . . . . . 191 5.4 WissenswerteszumThemaGlas . . . . . . . . . . . . . . 191 5.5 Glossar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 Was ist Glas? 1 1.1 Einleitung „Glas“ – ein Begriff, der uns vertraut ist, den wir im täglichen Leben gebrauchen, ohne ihn sonderlich zu hinterfragen. Wir denken vorran- gig an ein Trinkgefäß oder an kunstvoll gestaltete Objekte. Gleicher- maßen bezeichnet „Glas“ aber auch eine Klasse von Materialien mit ähnlichenEigenschaften.DiesesBuchistdemWerkstoff„Glas“gewid- met:seinerHerstellung,seinenEigenschaftenundAnwendungensowie den technischen Herausforderungenbei der Suche nach neuen Einsatz- gebieten. Glas ist ein Werkstoff wie etwa Keramik, Metalle oder Kunststoffe. Glas erscheint glatt, scharfkantig brechend, oft durchsichtig und glän- zend.ImVergleichzuMetall–duktil,undurchsichtig–sindGläsersprö- deundmeisttransparent.MitihrerporenfreienOberflächeunterscheidet sicheineGlasscheibeandererseitsvonderkörnigenundporösenStruk- tureinerKeramik.DasdeutscheWort„Glas“istzurückzuführenaufden germanischen Begriff „glasa“ – das Glänzende, Schimmernde. Und im VergleichzueinemBergkristallmitseinerregelmäßigengeometrischen StrukturbesitzenGläserkeineVorzugsstruktur. Wirbefassenunszunächstmitdermehrals5000-jährigenGeschich- te des Werkstoffs Glas von der Entdeckung der Glasherstellung über dievielfältige Nutzung des Materials für Schmuck oder Gefäßebis hin zudenmodernenSpezialgläsernmitihrenvielfältigenAnwendungenin nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens. Es folgt eine ausführli- cheDarstellung der Einzigartigkeitdes WerkstoffsGlas. Sie beruhtauf seinerStrukturalseingefroreneFlüssigkeit,diezudembesonderenvis- H.A.SchaefferundR.Langfeld,WerkstoffGlas,TechnikimFokus, 1 DOI10.1007/978-3-642-37231-5_1,©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2014

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