Nucleation kinetics of the liquid-liquid phase separation under extreme external conditions

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Gerhard Wilde
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 224751288

Die Entmischung im flüssigen Zustand in zwei flüssige Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung stellt einen Phasenübergang erster Ordnung dar, ausgenommen einen begrenzten Zusammensetzungsbereich nahe des kritischen Punktes der Mischungslücke, in dem die chemische Spinodale auch in kontrollierten Experimenten bei niedrigen und mittleren Raten zugängig ist. Daher verläuft die Phasenumwandlung im überwiegenden Bereich der der kontrollierten Messung zugängig ist über Nukleations- und Wachstumsstadien, ähnlich der Kristallisation. Die bislang einzige Methode zur Vermeidung der Bildung grobskalig entmischter Strukturen besteht in der Anwendung hoher Kühlraten. Dieses Verhalten kann auch durch das Auftreten der sogenannten „kritischer-Punkt Benetzung“ erklärt werden, welche immer in der Nähe des kritischen Punktes einer Mischungslücke auftritt. Eine Konsequenz des Auftretens dieser perfekten Benetzung ist das Verschwinden einer Unterkühlung vor dem Einsetzen der binodalen Phasenumwandlung in einem endlichen Zusammensetzungsbereich auf einer Seite der Mischungslücke. Die sensitive Balance der Grenzflächenenergien, welche für das Auftreten dieser speziellen Benetzungsbedingungen verantwortlich ist, lässt gleichzeitig erwarten, dass externe Felder (beispielsweise starke Magnetfelder wie in der Gruppe von Prof. Gao auf levitationsgeschmolzene Proben angewendet) das Gleichgewicht messbar beeinflussen können und somit zu einer externen Kontrolle der Nukleationsbedingungen und der nachfolgenden Mikrostrukturentwicklung eingesetzt werden können.Um die Nukleationskinetik quantitativ zu analysieren, schlagen wir einen kürzlich weiterentwickelten Ansatz vor, welcher auf der Beschreibung der Nukleation als inhomogenen Poissonprozess beruht und welcher im Falle der Kristallisation von unterkühltem Nickel die Analyse von Nukleationsraten über etwa acht Größenordnungen erlaubte. Dieser, auf wiederholte Messungen an Einzelproben basierende Ansatz soll zunächst an den Systemen Cu-Fe und Cu-Ni mittels thermischer Analyse und in Kooperation mit Prof. Herlach auch mittels Schwebeschmelzen durchgeführt werden. Mit diesen Messungen werden gleichzeitig zwei Zielstellungen verfolgt: die genaue Analyse der Nukleationskinetik der Phasenseparation, diese bildet gleichzeitig die Referenz zur Analyse der Messungen bei gleichzeitig anwesendem Magnetfeld und die detaillierte Analyse der Nukleationskinetik soll den Einfluss des Übergangs von normaler – zur kritischen- Punkt-Benetzung quantifizieren.Die Untersuchungen an der Mischungslücke von Bi-Ga sollen mit einem neu aufgebauten MikroChip- Kalorimeter durchgeführt werden, welches die Analyse mikrometergroßer Einzelproben mit sehr hohen Raten bis 105 K/s erlaubt. Somit kann einerseits der Einfluss sehr hoher aber gleichzeitig sehr genau definierer und kontrollierter Raten auf die Phasenumwandlung untersucht werden. Insbesondere im Bereich des kritischen Punktes der Mischungslücke sollte dies auch den Übergang von binodaler – zu spinodaler Kinetik beobachtbar machen. Darüber hinaus erlauben die großen Abkühlraten das effektive „Einfrieren“ der Mikrostruktur, so dass der bei Raumtemperatur zu untersuchende Zustand besser in Hinblick auf die frühen Stadien der Entmischung auswertbar ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China
• Beteiligte Person: Professor Dr. Jianrong Gao