Texturentwicklung in Zwei-Phasen Strömungen

Abstract

Strömende Gemische aus flüssigen und festen Phasen treten bei unterschiedlichen Prozessen wie z. B. beim Blutkreislauf des Menschen, bei der Grünformung von Keramiken und beim fließen von teilkristallisierten Schmelzen auf. Ein wesentlicher Vorgang innerhalb dieser Gemische ist die Orientierung der kristallinen Teilchen in der strömenden Flüssigkeit. Dies beeinflusst sowohl die physikalischen Eigenschaften der Gemische als auch die daraus resultierenden Eigenschaften der Endprodukte wie im Falle der Grünformung von Keramiken. Die Bestimmung der Orientierung der kristallinen Partikel erfolgte mittels Diffraktion. Für diese Methode ist die Hochenergetische Synchrotronstrahlung aufgrund der hohen Eindringtiefe im zu untersuchenden Material sehr gut geeignet. Um die Messungen direkt am strömenden Material durchzuführen, wurden zwei Strömungsküvetten konstruiert. Bisherige Untersuchungen fanden entweder nach vollendeter Strömung (eingefrorener Zustand) statt, oder es wurden nur kleine Bereiche des Orientierungsraums (in eine Richtung) erfasst. Es wurde eine Rotationsküvette, bei der eine Scherströmung durch eine rotierende Scheibe in einem Zylinder erzeugt wird und eine Durchflussküvette zum erzeugen einer Rohrströmung entwickelt.In dieser Arbeit wurden erstmals die zur Orientierungsbestimmung und 3 dimensionalen Texturanalyse benötigten Polfiguren an der HASYLAB Beamline BW5 aufgenommen. Die Messungen fanden an plättchenförmigen Muskovitteilchen als Modellsubstanz und Aluminiumoxidteilchen unterschiedlicher Form als materialwissenschaftlich relevanter Substanz statt. Mit diesen Ergebnissen ließen sich theoretische Berechnungen über die Orientierung einzelner Teilchen in einer Flüssigkeit auf die Gültigkeit in hochkonzentrierten Zwei-Phasen-Strömungen überprüfen. Die von Jeffery vorhergesagte Ausrichtung der Plättchenebene parallel zur Strömungsrichtung wurde von allen Messungen bestätigt. Für Muskovit wurde jedoch eine weitere Vorzugsorientierung gefunden, welche zeigt, dass die freie Rotation um die Plättchennormale nur unvollständig ist. Die Untersuchungen an den Aluminiumoxidpartikeln haben gezeigt, dass die Ausrichtung der Plättchenebene parallel zur Strömungsrichtung mit steigender Feststoffkonzentration immer schwächer ausgeprägt ist und somit stärker von Verhalten eines isolierten Teilchens in der Strömung abweicht. Außerdem wurde auch der Einfluss der Plättchenform auf die Orientierungsdichte untersucht, welcher mit stark ausgeprägter Plättchenform entsprechend den Erwartungen zu schärferen Texturen führt. Diese Vergleiche von Messungen an Gemischen unterschiedlicher Feststoffkonzentration lassen sich nur mit Hilfe der Polfigurmessung mit anschließender 3-dimensionalen Texturanalyse durchführen. Nur so erhält man normierte Daten für die Orientierungsverteilung und kann Orientierungsdichten aus unterschiedlichen Messungen miteinander vergleichen. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode lässt sich auch auf andere Systeme ausweiten und liefert ein besseres Verständnis vom Verhalten von festen Partikeln in einer strömenden Flüssigkeit.