Kategorie: Institut für Physik

Crystal nucleation of single micro-sized tin droplets was investigated by in-situ experimental studies during rapid heating-cooling processes at rates up to 40,000 K/s. For the first time the issue of separating the mutual effects of droplet size and cooling rate in rapid solidification has been solved. A theoretical model of these processes was developed on the basis of the classical heterogeneous nucleation theory and advanced then by a cavity induced heterogeneous nucleation model and cavity size dependent growth. It allows one to describe the cooling rate, droplet size and prior liquid overheating effects on crystal nucleation in single micro-sized tin droplets. This model is believed to be able to direct further research to shed more light on the nucleation mechanisms for metallic droplet solidification and related rapid solidification processes also beyond the particular system analyzed in this thesis.

Die Kristallkeimbildung eines einzelnen Zinntröpfchens von Mikrometergröße wurde durch in-situ Untersuchungen bei schnellen Heiz- und Abkühlprozessen mit Raten bis zu 40 000 K/s untersucht. Dabei konnten erstmals die Auswirkungen von Tropfengröße und Abkühlraten bei rascher Kristallisation separiert werden. Ein theoretisches Modell der Kristallisation der Tropfen wurde auf der Grundlage der klassischen heterogenen Keimbildungstheorie entwickelt. Eine erste Variante dieses Modells wurde modifiziert, um heterogene Keimbildung induziert durch Hohlräume an den Grenzflächen zu berücksichtigen. Das von der Hohlraumgröße abhängige Wachstum konnte beschrieben werden. Dieses Modell hat es ermöglicht, die Abhängigkeit von Kristallkeimbildung in einzelnen Zinntröpfchen von Kühlrate, Tröpfchengröße und Überhitzung korrekt zu beschreiben. Wir erwarten, dass es im Rahmen der Weiterentwicklung dieses Modells möglich sein wird, die Mechanismen der Kristallkeimbildung für Metalltröpfchen und ihre schnelle Erstarrung sowie analoge schnelle Erstarrungsprozesse, auch über das spezielle in dieser Arbeit analysierte System hinaus, besser theoretisch beschreiben zu können.