Physical and thermodynamic properties of aluminosilicate melts as a function of composition

Abstract

Viskosität, Wärmekapazität, Dichte, Kompressionsmodul, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Diffusion und Oberflächenspannung der Schmelzen werden durch die Schmelzstruktur kontrolliert. Die Schmelzstruktur ist wiederum abhängig von der chemischen Zusammensetzung, Temperatur und Druck. In dieser Arbeit wurden Viskosität, Wärmekapazität, Dichte und Schermodul als Funktion des Schmelzchemismus zwischen peralkaliner und peraluminöser Zusammensetzung (mit einem festgelegten SiO2-Gehalt von 66.7 mol%) untersucht. Alle oben genannten physikalischen und thermodynamischen Parameter zeigen eine Änderung der Struktur in der Nähe von subaluminöser Zusammensetzung, d.h. wenn nicht genug ladungsausgleichende Kationen vorhanden sind um die negative Ladung der Al-Tetraeder zu neutralisieren (bei gamma~0.5, gamma ist (Na2O+FeO)/(Na2O+Al2O3+FeO+Fe2O3)). Zum ersten Mal wurden Konfigurations-Wärmekapazitäten Cp conf in einer systematischen Zusammensetzungsserie ermittelt. Cp conf zeigt ein Minimum bei gamma~0.5. Die Konfigurationsentropie S conf und der Be Parameter wurden ebenfalls für Proben dieser Zusammensetzungen zum ersten Mal berechnet. Die Ergebnisse weisen auf eine Strukturänderung bei gamma~0.5 hin. Viskositäten wurden im Bereich 10E8.8 – 10E12.6 Pa.s mit der Mikropenetrationstechnik ermittelt. Diese Daten weisen ebenfalls auf Änderungen der Schmelzstruktur bei gamma~0.5 hin. Die Lebenszeiten der Bindungen in der Schmelze wurden mit mechanischer Spektroskopie ermittelt (1Hz – 0.001Hz). Die Lebenszeiten der Bindungen Si-O und Al-O konnten aus dem langsamen Alpha-Relaxionspeak im mechanischen Spektrum nicht getrennt aufgelöst werden, aber die kurzlebigen Na-O Bindungen konnten separat aus dem Beta-Relaxionspeak ermittelt werden. Eine wesentliche Neuerung dieser Arbeit ist die Tatsache, dass die gemessene strukturelle Relaxationszeit von der berechneten Maxwell Relaxationszeit abweicht. Dies steht im Widerspruch zur allgemein anerkannten Theorie zum Fließen und Relaxation von Silikatschmelzen. Die hier untersuchten Schmelzen enthielten jedoch viel mehr Al2O3 (Al/Si=0.6) als früher untersuchte Schmelzen (Al/Si=0.2), wodurch hier zum ersten Mal der Einfluss der kurzlebigen Al-O Bindungen auf das viskose Fließen gesehen werden konnte. Der relativ hohe Al Gehalt führt zur Bildung von langlebigen Si-O Clustern umgeben von einer weniger langlebigen Al-O Matrix. Daher wird das viskose Fließen durch das Brechen und Neubilden der Al-O Bindungen bestimmt. Die Schmelze fließt, obwohl die Si-O Cluster nicht vollständig relaxiert sind. Dies ist deshalb Bedeutung, da Modellierungen von Schmelzviskosität bei hohen Drücken, Viskositäten von teilkristallisierten Schmelzen, Diffusions- und Kristallisationsraten in Schmelzen, Abkühl- und Fließraten von Magma, alle auf der Maxwell Beziehung beruhen, die die strukturelle Relaxation mit allen Prozessen in Beziehung setzt, die auf der Bewegung von Si und O beruhen. In Al2O3 reichen Schmelzen (z.B. Phonolithe) laufen alle diese Prozesse 10 Mal schneller ab, als die Modelle vorhersagen, die auf der Standard Maxwell Beziehung beruhen.