Elementverteilung in Geomaterial-Korngrenzen unter Berücksichtigung ihrer Geometrie
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unsere Forschungsprojekt hatte zum Ziel unser Verständnis über die Auswirkungen der Korngrenzenstruktur auf Transporteigenschaften und Speicherkapazitäten in Gesteinen zu erhöhen. Wir haben unsere Forschung auf Bikristallstudien konzentriert, um grundlegende Fragen zu Korngrenzenstrukturen, Phänomenen und Transporteigenschaften an gut-definierten Systemen zu beantworten. Zu Beginn der Studie verwendeten wir YAG als analoges Material, das aufgrund seiner hohen Kristallsymmetrie Prozesse leichter studierbar macht. Bei der Untersuchung von Transport- und der Segregationsprozessen an Korngrenzen ließen wir Elemente mit unterschiedlichen Ionenradien diffundieren. Es wird angenommen, dass Ionenradien einen starken Einfluss auf die Transportraten und Segregationsprozesse haben. Wir fanden heraus, dass inkompatible Elemente mit sehr großem Ionenradius (La) mindestens 9 Größenordnungen schneller diffundieren als kompatible Elemente mit ähnlicher Ionenradius wie die Ionen im Kristall Inneren, hier Yb. Letztere diffundieren immer noch 5 Größenordnungen schneller entlang der Korngrenzen als im Kristallinnere. Darüber hinaus untersuchten wir die Abhängigkeit der Korngrenzendiffusionsraten von Korngrenzenorientierungen in unterschiedlich orientierten Korngrenzen in Forsterit bikristallen. Wir haben das Produkt aus dem Korngrenzsegregationskoeffizienten und dem Korngrenzendiffusionskoeffizienten der 10° und 60° Korngrenzen Proben auf 1×10^-11 m2/s bei 1200°C bestimmt. Bei großwinkel Korngrenzen, hier 90° Korngrenze, die einen viel geringeren Ordnungsgrad der Grenzfläche aufweist, sind die Diffusionsraten deutlich höher. Zusätzlich zeigt eine sehr geordnete 60°-Korngrenze, die ein kontinuierliches hexagonales Sauerstoff-Untergitter über die Korngrenze aufweist, geringere Diffusivitäten. Die 90° Korngrenzen sind deutlich weniger geordnet und zeigen häufige Stufen an der Schnittstelle. Strukturell haben Korngrenzen mit geringem Winkel nur wenige strukturelle Fehler, wie Versetzungen, die 60° Korngrenze hat eine gute Gitteranpassung über die Korngrenze, während die 90° Korngrenze weniger kohärent ist. Wir fanden heraus, dass die Diffusivität von gut angepasstem Korngrenzen im Vergleich zur Volumendiffusion „nur“ 4 Größenordnungen schneller ist, während weniger gut angepasste „zufällige“ Korngrenzen in Olivin Diffusivitäten von mehr als 5 Größenordnungen schneller zeigen als die Kristallinneren. Über das angestrebte Ergebnis des Projekts hinaus initiierte unsere Arbeit weitere laufende Studien: (i) Thermische Rissausbreitung während des Materialaufstiegs im Erdmantel (ii) Wie vermitteln Korngrenzen Verformungen: Bikristallverformungsstudien (iii) Wie hoch ist die Viskosität einer Korngrenze? Bikristallkorngrenzen-Gleitstudien.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Quantitative electron backscatter diffraction (EBSD) data analyses using the dictionary indexing (DI) approach: Overcoming indexing difficulties on geological materials. Am. Mineral. 102, 1843–1855
Marquardt, K. et al.
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(2018) Mg lattice diffusion in iron-free olivine and implications to conductivity anomaly in the oceanic asthenosphere. Earth Planet. Sci. Lett. 484, 204–212
Fei H., Koizumi S., Sakamoto N., Hashiguchi M., Yurimoto H., Marquardt K., Miyajima N. and Katsura T.
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(2018) The structure and composition of olivine grain boundaries: 40 years of studies, status and current developments. Phys. Chem. Miner. 45, 139–172
Marquardt, K. & Faul, U. H.
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(2019) Intragranular plasticity vs. grain boundary sliding (GBS) in forsterite: Microstructural evidence at high pressures (3.5–5.0 GPa). Am. Mineral. 104, 220–231
Bollinger, C., Marquardt, K. & Ferreira, F.
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(2019) Lead diffusion in CaTiO3: A combined study using Rutherford backscattering and TOF-SIMS for depth profiling to reveal the role of lattice strain in diffusion processes. Am. Mineral. 104, 557–568
Beyer, C., Dohmen, R. Rogalla, D.; Becker, H.-W., Marquardt, K.; Vollmer, Chr.
