Phasen im System Sc2O3-Al2O3-TiO2-SiO2

Ziel des Projekts ist die detaillierte Charakterisierung von Phasen und Phasenbeziehungen im bisher nur sehr lückenhaft untersuchten System Sc2O3 (Scandium-Oxid)-Al2O3-TiO2-SiO2. Fast alle der höherkomponentigen Phasen in diesem System haben wichtige technologische Anwendungen, sind aber bisher nur ungenügend charakterisiert worden. Ebenfalls unbekannt ist die genaue Wechselwirkung von Sc2O3 mit den anderen Phasen. Scandium gehört zu den sogenannten `Seltenerden`-Elementen [d.h. die Elemente von Lanthan (La) bis Lutetium (Lu), sowie Yttrium (Y) und Scandium (Sc)]. Verbindungen dieser Elemente erlangen eine stetig anwachsende Bedeutung sowohl in den Materialwissenschaften als auch in der Mineralogie. Das komplexe, bisher nur sehr lückenhaft untersuchte System SE2O3-Al2O3-TiO2-SiO2 (SE = Seltenerden-Element) ist hierbei von besonderem Interesse, da es technologisch wichtige Materialien einschließt (eine große Anzahl verschiedenartiger keramischer SE-Verbindungen mit herausragender chemischer und Hochtemperaturstabilität, und mit nützlichen optischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften). Die Mehrheit dieser SE-Verbindungen besitzt flexible Anordnungen ihrer atomaren Strukturen, die identisch sind mit denen von mehreren Mineralen (z.B. Apatit, Perowskit, Pyrochlor, Fluorit, Magnetoplumbit). Im vorliegenden Projekt soll das System Sc2O3-Al2O3-TiO2-SiO2 detailliert charakterisiert werden. Es sollen die bisher unbekannten Kristallstrukturen von mehreren Sc-Alumosilikaten und -Titanaten bestimmt werden, und der Einbau von Sc- und Ti-Atomen in die technologisch wichtigen Keramiken Mullit (Aluminiumsilikat) und Al2TiO5 genau charakterisiert werden. Ferner sollen Phasengleichgewichte des Gesamtsystems bei definierten Al2O3- Gehalten bestimmt werden. Proben werden durch die Flux-Methode synthetisiert (Züchtung von gut ausgebildeten Einkristallen aus speziellen Schmelzen) und durch keramische Präparationstechniken (Herstellung polykristalliner Proben, die aus einer oder mehreren Phasen bestehen). Die Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung und Stabilität der synthetisierten Phasen, und ihre Stabilitätsbeziehungen mit Nachbarphasen sollen durch eine Kombination von speziellen Beugungsmethoden (Röntgen-, Neutronen und Synchrotronstrahlung), spektroskopischen Methoden (Raman-Streuung und Infrarot-Absorption), chemischen Analysen und hochtemperatur-thermoanalytischen Methoden charakterisiert werden. Wahrscheinliche Sc-Al- und Sc-Ti- Substitutionen sollen hierbei speziell untersucht werden. Die Ergebnisse des Projekts werden dazu beitragen, neue technische Anwendungen in einigen der innovativen Anwendungsgebiete von Sc- (und SE-)Verbindungen zu finden.

Eine detaillierte Charakterisierung von Phasen und Phasenbeziehungen im bisher nur sehr lückenhaft untersuchten System Sc2 O3 (Scandium-Oxid)-Al2 O3 -TiO2 -SiO2 wurde durchgeführt. Fast alle der Phasen in diesem System haben wichtige technologische Anwendungen, sind aber bisher nur ungenügend charakterisiert worden. Ebenfalls unbekannt ist die genaue Wechselwirkung von Sc2 O3 mit den anderen Phasen. Gut ausgebildete Einkristalle von Scandium-haltigen Verbindungen wurden aus speziellen Schmelzen bei mittelhohen Temperaturen (< 1200C) gezüchtet oder durch chemischen Transport mittels Chlor-Gas hergestellt. Die Kristallstrukturen der Verbindungen wurden genau bestimmt, und ihre Stabilität, chemische Zusammensetzung und spektroskopischen Eigenschaften wurden charakterisiert. Mehrere neue und ungewöhnliche Scandium-Verbindungen konnten hergestellt werden, die potientielle Anwendungen in innovativen Bereichen haben (z.B. lumineszierende und Laser-Materialien; Zeolith-artige Materialien). Die Projektergebnisse werden auch hilfreich sein bei der Verbesserung der Herstellung von einigen Nitrid- und Silicid-Hightech-Keramiken, bei deren Herstellung Scandium-Oxid als Sinterhilfsmittel verwendet wird.