Einfluss der umgebenden Matrix bei größenabhängigen Schmelz- und Erstarrungsvorgängen von Pb-Nanopartikeln im System Al(Ga)-Pb
Final Report Abstract
Um den Einfluss einer umgebenden Matrix auf das Schmelzen und Erstarren eingebetteter Pb-Nanopartikel zu untersuchen, wurden verschiedene Ga-Gehalte (0, 1, 3 und 6 at. %) zu der Al-Matrix legiert. Diese Zusammensetzungen liegen alle innerhalb des Löslichkeitsbereiches von Al-Ga. Das Legieren von Ga vergrößert die Al-Gitterkonstante und modifiziert somit die Gitterfehlpassung an der Partikel-Matrix Grenzfläche. Mittels kalorimetrischer und transmissionselektronenmikroskopischer Verfahren konnte ein starker Einfluss einer atomar flachen, Ga-angereicherten Benetzungslage um die Pb-Partikel auf deren Schmelz- und Erstarrungsverhalten beobachtet werden. Der Absolutwert der Ga-Anreicherung innerhalb der Benetzungslage wurde zu ca. 3% über dem Matrix-Niveau beobachtet, unabhängig vom Absolutgehalt von Ga in der Al-Matrix. Diese Anreicherung wird als Folge des Volumensprungs von 3.3 % bei Erstarrung von Pb und der dabei entstehenden Leerstellen die durch das rasch diffundierende Ga gefüllt werden interpretiert. Die Ergebnisse zeigen dass bereits eine einzelne Ga-reiche Lage ausreicht um die Matrix und die Partikel sowohl chemisch als auch mechanisch zu entkoppeln. Dies führt dazu, dass sich die Partikel anschließend ähnlicher einem frei stehenden Partikel verhalten und eine starke Unterkühlung vor der Erstarrung sowie reduziertes oder sogar verschwindendes Überhitzen beim Schmelzen zeigen. Nanoskalige Bi-Partikel eingebettet in eine Zn-Matrix wurden ebenfalls durch rasches Abschrecken einer homogenen Schmelze hergestellt. Dabei wurde eine Abhängigkeit von Größenverteilung und charakteristischer Form der Partikel von der Kühlrate beobachtet. Mit abnehmender Partikelgröße nimmt das Aspektverhältnis der Partikel zu. Mittels Hochauflösungs-Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt für unterschiedliche Orientierungen von Partikeln und Matrix konnten die dreidimensionale Form der Partikel sowie die Orientierung der Partikel und die Orientierungsbeziehungen mit der Matrix bestimmt werden. Kalorimetrische Ergebnisse in Verbindung mit den mikroskopischen Beobachtungen legen den Schluss nahe, dass die Größenabhängigkeit der Partikelmorphologie einen großen Einfluss auf die thermische Stabilität der Nanopartikel hat und deren Schmelzverhalten bestimmt.
Publications
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(See online at https://doi.org/10.1063/1.4904462) - Physical Metallurgy of Nanocrystalline Metals; in: “Physical Metallurgy”, Fifth Edition, by David Laughlin (Editor), Kazuhiro Hono (Editor) (formerly R. Cahn and P. Haasen), ISBN-13: 978-0444537706, ISBN-10: 0444537708, Chapter 26, pages 2707-2805 (2014)
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