Einfluss solutaler Marangonikonvektion auf den in Metallschmelzen mittels Scherzellentechnik gemessenen Interdiffusionskoeffizienten (PDF)

Messungen von Diffusionskoeffizienten in Metall- und Halbleiterschmelzen sind aufgrund von Konvektionsprozessen mit erheblichen Streuungen behaftet. Diese Arbeit zeigt, dass die solutale Marangonikonvektion hierbei den grössten Beitrag liefert. Die Interdiffusionsexperimente wurden mittels Scherzellentechnik durchgeführt. Die untersuchten Materialien (Sn-Bi, Pb-Ag, Sn-In) zeigen unterschiedliche Antriebe für die solutale Marangonikonvektion und unterschiedliche Dichtedifferenzen zwischen den Diffusionspartnern. Der Konvektionsantrieb wurde aus Oberflächenspannungsmessungen mittels der „sessile drop“ Methode ermittelt, die unter ähnlichen Bedingungen wie in einem Diffusionsexperiment durchgeführt wurden. Da der Einfluss der Marangonikonvektion auch vom Anteil an freien Oberflächen entlang der Schmelze abhängt, wurde dieser Anteil durch das Ausüben von unterschiedlichen Drücke auf die Schmelze variiert. Hoher Druck minimiert die freien Oberflächen, während geringer Druck den Anteil an freien Oberflächen undefiniert vergrössert. Eine zusätzliche, definierte Vergrösserung dieses Anteils wurde durch das Einarbeiten von Schlitzen in die Kapillarwand erreicht. Hierdurch wurde der Einfluss der Marangonikonvektion auf den gemessenen Diffusionskoeffizienten systematisch untersucht. Das Hauptergebnis ist, dass Messungen von konvektionsfreien Diffusionskoeffizienten auf der Erde wie auch unter Schwerelosigkeit nur möglich sind, wenn freie Oberflächen entlang der Schmelze vermieden werden. Liegen freie Oberflächen vor, so sind bei Temperaturen ab etwa 600°C weder die hemmende Wirkung einer Oxidschicht noch die Dämpfung durch die stabile Schichtung (genügend hohe Dichtedifferenz zwischen den Diffusionspartnern) ausreichend, um das Auftreten der Marangonikonvektion zu unterdrücken. Zusätzlich zeigten bei 400°C während der Foton M2 Mission unter Schwerelosigkeit durchgeführte Messungen, dass bei Verwendung der stabilen Schichtung die Gravitation tatsächlich dämpfend auf nicht allzu starke konvektive Störungen wirkt und die Messung von konvektionsfreien Diffusionskoeffizienten auf der Erde somit unterstützt.