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Scharfer Röntgenblick durch Metallschmelzen macht Diffusion sichtbar



In der neuesten Ausgabe von Physical Review Letters berichten DLR Forscher vom Institut für Materialphysik im Weltraum über ihre Entwicklung einer neuen Methode zur Messung der Beweglichkeit der Atome (Diffusion) in Metallschmelzen mit Röntgenradiographie.

Die Eigenschaft einer Flüssigkeit lokale Unterschiede in ihrer Zusammensetzung über langreichweitige Bewegung der Atome oder Moleküle (Diffusion) auszugleichen ist ein grundlegender Prozess in der Natur. Z.B. bestimmt die Diffusion die Erstarrung von Flüssigkeiten und das Wachstum von Kristallen. Bislang wurde die charakteristische physikalische Größe der Diffusion, der Diffusionskoeffizient, folgendermaßen bestimmt: Ein Paar einer Legierung mit unterschiedlicher Zusammensetzung wird in Kontakt gebracht, bis in den flüssigen Zustand aufgeheizt, dort eine bestimme Zeit prozessiert und dann wieder erstarrt. Im Anschluss wird die Zusammensetzung entlang der Probe mit unterschiedlichen analytischen Methoden ermittelt.

Bei diesem herkömmlichen Verfahren treten folgende Probleme auf: Die Einflüsse von Strömungen (Konvektion) auf das heiße, geschmolzene Material während des Diffusionsexperiments und die Bildung von Gefügestrukturen während des Abkühlprozesses bei der Erstarrung. Beides verändert die Zusammensetzung entlang der Probe auf bislang nicht bekannte Weise und führt dazu, dass die wenigen aus der Literatur bekannten Messwerte stark voneinander abweichen.

 

 Messung von Diffusion mit Röntgenradiographie
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Der Gruppe um Professor Andreas Meyer ist es gelungen mit Röntgenradiographie (Durchstrahlen der Probe mit 110 kV Röntgenstrahlung) den gesamten Prozess vom Aufschmelzen bis zur Erstarrung zeitaufgelöst aufzunehmen, sodass in einem Film die Diffusion in der Schmelze direkt abgebildet werden kann. So konnte gezeigt werden, dass zumindest in Proben in denen das Diffusionspaar einen großen Unterschied in der Dichte aufweist, konvektive Strömung soweit unterdrückt wird, dass der Diffusionsprozess nicht messbar gestört wird. 

Eine erste Messreihe an Al-Cu Legierungsschmelzen hat gezeigt, dass die Diffusionskoeffizienten tatsächlich etwa doppelt so groß sind wie in der Fachliteratur aus indirekten Messungen über theoretische Modellannahmen abgeschätzt.

In einem nächsten Schritt wird dieses Verfahren auf der Höhenforschungsrakete MAXUS 8 angewandt. Maxus 8 bietet 12 Minuten Schwerelosigkeit. Ausreichend Zeit, um die Diffusion in Metall- und Halbleiterschmelzen mit der neuen Methode zu untersuchen. Dies ermöglicht die Messung ohne die auf der Erde auftretenden konvektiven Strömungen und wird daher genaue Referenzdaten liefern.

Langfristiges Ziel ist es, das materialwissenschaftliche Labor auf der Internationalen Raumstation mit einer Anlage zur Röntgenradiographie zur Messung von Diffusion in Metallschmelzen auszustatten.

Kontakt:

Prof. Dr. Andreas Meyer
Institut für Materialphysik im Weltraum
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
51170 Köln
Tel. 02203 601 2667
www.dlr.de/mp

 

 


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