Wir wissen, dass Gläser und Flüssigkeiten in ihrer atomaren Struktur fast identisch sind. Der Grund, warum wir Gläser als Festkörper kennen, liegt also an der atomaren Dynamik. Die Temperatur, bei der eine unterkühlte Schmelze erstarrt ohne zu kristallisieren, nennen wir die Glasübergangstemperatur T(g). Tatsächlich stellt sich jedoch heraus, dass es im Grunde nur eine Frage der Beobachtungdauer ist, um überhaupt entscheiden zu können, ab wann ein Glas flüssig oder fest ist. Die Modenkopplungstheorie (MCT) von Götze und Sjögren sagt einen atomaren Mechanismenwechsel in der zähen Schmelze, also bei einer wesentlich höheren Temperatur als T(g), nämlich bei einem Temperaturbereich um T(c) vorraus. Bei dem metallischen Glas Zr(46,8)Ti(8,2)Cu(7,5)Ni(10,0)Be(27,5) (kurz: V4) wurde T(c) etwa gleich 875K gefunden. In dieser Arbeit wurde die Dynamik des metallischen Glases V4 und Zr(65)Al(7,5)Cu(17,5)Ni(10) am Übergang von elastischem zu viskosem Verhalten (etwa 550K bis 670K) untersucht. Das Ziel bestand darin, die Relaxationsfunktion der Proben über einen möglichst großen Zeitbereich zu untersuchen. Das gelang durch den Neuaufbau eines klassischen (resonanten), kombiniert mit der Neuentwicklung (und dem Aufbau) eines nichtresonanten Vibrating Reed Experimentes. Zum ersten mal wurde die atomare Dynamik von V4 in dem Frequenzbereich 10^(-1) rad/s < omega < 10^5 rad/s gemessen. Bei einem resonanten Vibrating Reed Experiment wird aus der Resonanzfrequenz omega und der Resonanzfrequenzbreite gamma eines schwingenden Plättchens die temperaturabhängige Relaxationszeit tau des Materials berechnet. Das funktioniert aber nur, solange die Relaxationszeit tau viel langer als die reziproke Resonanzfrequenz 1/omega(0) ist, da sonst gar keine Schwingung zustandekommt. Das bedeutet aber andererseits, dass diese Methode begrenzt ist auf die Untersuchung der inneren Reibung des Glases, viskoses Fließen kann damit nicht gemessen werden. Die Idee des nichtresonanten Vibrating Reed Experimentes bestand darin, das Plättchen unterhalb seiner Resonanzfrequenz einer periodischen Kraft der Frequenz omega auszusetzen, und sowohl die Auslenkung als auch die Phase zur Anregung zu messen. Die technischen Probleme waren vor allem, trotz hoher Temperaturen und Hochvakuum die geringen Auslenkungen der Probe zu messen und die mittlere Probenposition zu kontrollieren. Der Phasenwinkel phi zwischen periodischer Anregung und Auslenkung stellte sich als besonders brauchbare Grösse dar, um die Relaxationsfunktion zu bestimmen. Da jedoch die Resonanzfrequenz omega(0)und die Messfrequenz omega sehr nahe beieinanderliegen, mussten die resonanten und nichtresonanten Effekte voneinander getrennt werden. Die sowohl frequenz- als auch temperaturabhängig gemessenen Phasenwinkel phi zeigen die Gültigkeit des Zeit-Temperatur-Superpositionsprinzips. Dadurch konnte der Phasenwinkel phi von V4 durch Frequenzverschiebung entlang der Viskositätslinie über sechs(!) Größenordnungen der Frequenz im metastabilen Gleichgewicht (oberhalb T(g)) dargestellt werden. Der Phasenwinkel wurde einer gestreckten Relaxationsfunktion (der Kohlrauschfunktion) mit dem Streckungsfaktor beta=0,50 und der Relaxationszeit tau=1s bei der Temperatur T=635K zugeordnet. Zusammen mit den Viskositätsdaten der Literatur ergibt das einen Hochfrequenzelastizitätsmodul E=28*10^8Pa. Im Gegensatz zu einigen, an demselben und ähnlichen Gläsern durchgeführten Kriechmessungen im Zeitraum, bleibt beta über den gesamten gemessenen Frequenz- bzw. Temperaturbereich konstant. Die Skalierbarkeit der Daten entlang sowohl der Viskositätslinie wie auch der kalorimetrischen Daten zeigt, dass die Vibrating Reed Experimente stets im metastabilen Gleichgewicht, also oberhalb T(g) durchgeführt wurden. Bei Diffusions-, wie auch NMR-Experimenten ist das oft nicht der Fall. Die Vorteile des nichtresonanten Vibrating Reed Experimentes gegenüber konventionellen Dynamic-Mechanical-Analysis-Experimenten (DMA) bestehen in der einfachen Mechanik, den kleinen Proben und der dadurch gut kontrollierbaren Probenumgebung, d.h. Temperatur und Vakuum. Sowohl die Anregung als auch die Detektion der Schwingung des Plättchens erfolgen berührungslos, während der Messung werden daher keine Teile bewegt, außer der Probe selbst. Die relativ aufwendige Elektronik des Experimentes wird über ein einfach zu bedienendes Meß- und Steuerprogramm WinReed überwacht.
Login
BibTeX