ToF-SIMS analysis of cracks in soda-lime-silicate glass

Abstract

Glas nimmt im Bauwesen eine zunehmend bedeutende Rolle ein und wird vermehrt auch als tragendes Bauteil eingesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich sowohl bei Prozessen der Oberflächenbearbeitung als auch im Rahmen der praktischen Handhabung, kleine Defekte in Form von Mikrorissen ausbilden können. Angesichts ihres erheblichen Einflusses auf die Festigkeit von Glas, ist es von großer Bedeutung, die Wechselwirkungen dieser Defekte mit ihrer Umgebung genau zu verstehen. In der Literatur wurde bereits über eine Vielzahl solcher Phänomene, wie zum Beispiel Rissheilungseffekte und subkritisches Risswachstum in feuchter Umgebung berichtet. Auch mögliche Erklärungsversuche und Theorien dazu finden sich in der Literatur. In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal die Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) als analytisches Verfahren verwendet, um Risse in Kalk-Natron-Silikatglas, die in feuchter Umgebung (Dampf von schwerem Wasser und Dampf von deionisiertem Wasser) gelagert wurden, zu analysieren. Dieses Verfahren wurde gewählt, da damit nicht nur Tiefenprofile und Elementverteilungen bestimmt werden können, das Detektieren von Wasserstoff ist mit dieser Methode ebenfalls möglich. Die Risse wurden durch Vickers Indentationstests (Radialrisse) erzeugt, um die Elementverteilung an und um die Risse auf der Glasoberfläche zu bestimmen. Zusätzlich wurden FIB-Krater auf den Rissen generiert, um die Risse auch in der Tiefe analysieren zu können. Da die bei der Rissausbreitung in feuchter Umgebung beobachteten Phänomene weitgehend von den an der Rissspitze ablaufenden Prozessen bestimmt werden, wurden weitere Experimente durchgeführt, bei denen Risse mit einem Glasschneider erzeugt wurden. Der Querschnitt dieser Risse, ein schließlich der Rissspitze, wurden dann analysiert. Die durchgeführten Messungen und Daten zeigen ein erhöhtes Wasserstoff/Deuterium-Signal nicht nur in den Rissen im oberflächennahen Bereich, sondern im gesamten Riss bis hin zur Rissspitze. Zum einen steht dieses Ergebnis im Einklang mit der Voraussetzung, die allen vorgeschlagenen Theorien zur Rissausbreitung in feuchter Umgebung zu Grunde liegt, nämlich dem Vorhandensein von Wasser an der Rissspitze. Zum anderen zeigen die Ergebnisse, dass sich Wasser bevorzugt in den Rissen im Gegensatz zur restlichen Oberfläche sammelt, was eine lokale Erhöhung der Feuchtigkeit zur Folge hat. Der Grund dafür, sowie die Prozesse, die zwischen der Rissspitze und dem Wasser stattfinden, konnten jedoch nicht mit den in dieser Arbeit durchgeführten Messungen und Experimenten bestimmt werden. Da diese Arbeit die ersten Untersuchungen von Rissen in Glas mittels ToF-SIMS darstellt, wurden auch die während der Experimente und Messungen auftretenden Probleme und Herausforderungen diskutiert. Dies soll eine Hilfestellung für zukünftige Arbeiten auf diesem Gebiet bieten.

Glass is an increasingly important material in construction, frequently employed as a load bearing component. Surface processing and practical handling have been found to result in the formation of small defects in form of micro cracks on the glass surface. It is essential to understand the manner in which these defects are influenced by their environment, given their impact on the strength of the glass. A range of phenomena, including crack healing effects and subcritical crack propagation in humid environments, and possible explanations for them, are reported in literature. In this study, Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry (ToF-SIMS) is utilized for the first time as an analytical technique to analyze cracks in soda-lime-silicate glass that were stored in a humid environment (heavy water vapor and deionized water vapor). The selection of this technique was made on the basis that it allows the acquisition of depth profiles and elemental maps while also providing the capability to detect hydrogen. Cracks were initiated by Vickers indentation tests (radial cracks) for the purpose of identifying the elemental distribution at and around the cracks on the glass surface. FIB cut experiments were also made to enable the acquisition of elemental distributions at an in-depth level. Given that the phenomena observed during crack propagation in a humid environment are largely determined by the processes taking place at the crack tip, further experiments were conducted in which cracks were created using a glass cutter. The cross-section of these cracks, including the crack tip, was then analyzed. The obtained data demonstrate an increased hydrogen/deuterium signal, not only in the cracks near the surface, but also throughout the entire crack, extending to the crack tip. On the one hand, this finding is consistent with the fundamental assumption underlying all proposed theories in literature of crack propagation in a humid environment, namely the presence of water at the crack tip. On the other hand, the results show that water tends to accumulate in the cracks rather than on the rest of the surface, resulting in a local increase in humidity. However, the underlying reasons for these phenomena, in addition to the processes occurring between the crack tip and the water, could not be determined through the measurements and experiments conducted in this study. As this study constitutes the first investigation of cracks in glass using ToF-SIMS, the problems and challenges encountered during the experiments and measurements were also discussed. This is intended to provide a basis for future research on this topic.