Thermophysikalische Eigenschaften von Schmelzen



Forschungsthemen

Analyse

  • Oberflächenspannung
  • Viskosität
  • Leitfähigkeit
  • Struktur

Materialien

  • reine Metalle
  • Halbleiter
  • Legierungen

Forschungsgebiet

Zur Messung der Oberflächenspannung und Viskosität wird die Methode des schwingenden Tropfens angewandt, bei der aus der Frequenz und Dämpfung von Oberflächenschwingungen die Oberflächenspannung und Viskosität abgeleitet wird. Die Messung der Dichte und thermischen Ausdehnung erfolgt in einem Schattenwurfverfahren durch Bestimmung des Probenquerschnitts. Hierzu wird eine digitale Bildverarbeitung verwendet. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch eine Impedanzmessung ermittelt, indem die Probe als Kern eines Messtransformators dient.

  • Oberflächenspannung

Einer geschmolzene, levitierte Metallprobe wird von oben mit einer Videokamera beobachtet (Bild links). Die auftretenden Schwingungsmoden werden durch zugeordnete Legendre-Polynome beschrieben. Dargestellt ist rechts die Schwingung zu L=2, m=1.

Video eines oszillierenden Tropfens (1,9 MB)

Simulation eines oszillierenden Tropfens (2,8 MB)

  • Viskosität

Aus der Dämpfung solcher Schwingungen lässt sich auch die Viskosität ermitteln. Dargestellt ist die Viskosität von Pd-Cu-Si, wie sie im Weltraumexperiment während der MSL-1 Mission gemessen wurde. Verschiedene Modellfunktionen sind angepasst und Vergleichswerte aus der Literatur sind eingetragen.

  • Dichte

Der Rand einer flüssigen Metallprobe wird in einem Schattenwurfverfahren und durch Bildverarbeitungsalgorithmen bestimmt (Bild links). Die roten Symbole in der rechten Abbildung markieren den auf diese Weise ermittelten Probenrand, an welchen ein Polynom 5. Grades angepasst wird. Durch Mittelung über viele Bilder wird das Probenvolumen bestimmt.

In der folgenden Abbildung sind Dichtewerte von Kupfer-Nickel Legierungen bei gleicher Temperatur und unterschiedlicher Zusammensetzung gezeigt. Zusammen mit den Messwerten sind in das Diagramm theoretische Modellfunktionen eingetragen.

  • Thermische Ausdehnung

Durch thermische Ausdehnung bedingt ist eine zumeist lineare Abnahme der Dichte mit der Temperatur zu beobachten. Wie im unten dargestellten Fall von reinem Eisen zu sehen ist, können Dichte und thermische Ausdehnung einer flüssigen Probe sowohl oberhalb, als auch unterhalb von der Schmelztemperatur bestimmt werden.

  • Elektrischer Widerstand

Spezifischer elektrischer Widerstand der flüssigen Cu60Ni40 Legierung oberhalb und unterhalb der Schmelztemperatur TL.

Die Abweichung vom linearen Temperaturverhalten, insbesondere bei tiefen Temperaturen, deutet auf eine Änderung der atomaren Struktur in der Schmelze durch Bildung von Ni-Assoziaten hin.

Untersuchte Systeme


Reine Elemente:

  • Metalle: Al, Ag, Au, Cu, Co, Fe, Ni
  • Halbleiter: Si


Binäre Legierungen:

  • Co-Pd, Au-Cu, Cu-Co, Fe-Co, Fe-Cu, Fe-Ni, Cu-Ni, Zr-Ni


Ternäre und mehrkomponentige Legierungen:

  • Fe-Cu-Ni, Pd-Cu-Si, Ti-Al-V, Ti-Al-Nb, CMSX-4




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