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Das Institut für Materialphysik im Weltraum in Köln erforscht Eigenschaften von Schmelzen und Ihre Erstarrung auf allen Längenskalen mit theoretischen und experimentellen Methoden. Ziel ist es, die Eigenschaften von Werkstoffen aus dieser Kenntnis vorherzusagen und somit Materialdesign aus der Schmelze zu ermöglichen.

Die Mikrostruktur eines Materials bestimmt einen Großteil dessen physikalischer sowie chemischer Eigenschaften.  Die während der Erstarrung aus der flüssigen Phase entstehende Mikrostruktur hängt von den Erstarrungsbedingungen ab. Um die Mikrostrukturbildung beeinflussen zu können, ist ein grundlegendes Verständnis der Erstarrungsvorgänge notwendig. Der relativ großen Anzahl an Modellen zur Erstarrung steht eine relativ kleine experimentelle Datenbasis zu deren Überprüfung gegenüber. Zur Überprüfung der Modelle können Wachstumsgeschwindigkeiten herangezogen werden. Da es sich bei der Herstellung von Materialien in der Regel um Erstarrung unter Nichtgleichgewichtsbedingungen handelt, sind Wachstumsgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von der Unterkühlung der Schmelze zu bestimmen. Um Zugang zum metastabilen, d. h. unterkühlten,  Bereich der Schmelze zu erhalten und um damit Wachstumsgeschwindigkeiten über einen Bereich mehrere hundert Kelvin unter der Schmelztemperatur bestimmen zu können, werden tiegelfreie Verfahren zur Probenprozessierung eingesetzt. Die Arbeiten konzentrierten sich dabei in der Vergangenheit auf Metallschmelzen. Diese weisen bei der Bestimmung der Erstarrungsgeschwindigkeiten als optisch nichttransparente Systeme die Schwierigkeit auf, dass das Kristallwachstum nur durch den Schnitt der Erstarrungsfront mit der Oberfläche beobachtet werden kann. Al2O3 ist im Gegensatz zu den bislang untersuchten Metallen ein optisch transparentes System. Dies erlaubt prinzipiell die Verfolgung der vollständigen Morphologie der Erstarrungsfront und deren Geschwindigkeit im Volumen der Schmelze.

Aufgaben:

Im Rahmen des Masterprojekts sollen Erstarrungsgeschwindigkeiten von Al2O3 in Abhängigkeit der Unterkühlung unter reduzierenden sowie oxidierenden Umgebungsbedingungen bestimmt werden. Die Probe wird mittels aerodynamischer Levitation prozessiert und mittels Infrarotlasern auf Temperaturen von 2000°C aufgeheizt. Um die Kristallisation in Abhängigkeit von der Unterkühlung der Schmelze messen zu können, ist zunächst ein Triggermechanismus zu entwickeln, mit dem die Kristallisation der Probe im unterkühlten Bereich definiert ausgelöst werden kann. Sie nehmen den Erstarrungsvorgang mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera auf und analysieren die Erstarrungsfront mittels geeigneter Bildauswerteverfahren. Dazu ist die vorhandene Software auf den Fall der Erstarrung des Al2O3 zu erweitern.  Dies schließt unter anderem die Bestimmung des Wachstumsmechanismus mit ein. Die gemessenen Erstarrungsgeschwindigkeiten fließen dann in die Modellierung der Nichtgleichgewichtserstarrung und der Modellüberprüfung ein. Die oben skizzierte Aufgabenstellung kann in Absprache mit dem Bewerber und dem projektbetreuenden Professor an die fachlichen Voraussetzungen des Bewerbers und die jeweiligen Vorgaben durch die Prüfungsordnung der zugehörigen Universität angepasst werden.