Materialprüfung

Die Materialprüfungsanlage ist eines der vielseitigsten Labore ihrer Art und widmet sich der mechanischen und rheologischen Untersuchung von geologischen und technischen Materialien unter extremen Bedingungen. Unsere Infrastruktur ermöglicht eine präzise Quantifizierung des Materialverhaltens über einen großen Betriebsbereich hinweg – von hochenergetischen ballistischen Einschlägen und Erdbebenbruchsimulationen bis hin zu mineralphysikalischen Untersuchungen bei Manteldrücken unter Verwendung von Diamant-Ambosszellen (DAC). Durch die Kombination von einachsigen, dreiachsigen und rotierenden Schersystemen mit Hochtemperatur-Rheometrie liefern wir die empirischen Daten, die für die Modellierung der Verformung von Magma, Glas und Gestein bei Temperaturen bis zu 1250 °C und Kräften von Millinewton bis zu Hunderten von Kilonewton erforderlich sind.

Mineralphysik

Das Mineral Physics Preparation Lab widmet sich der Vorbereitung von Diamant-Ambosszellen (DACs) für die Untersuchung der Eigenschaften von Materialien unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen. Der Forschungsschwerpunkt liegt auf dem strukturellen, physikalischen und thermodynamischen Verhalten von Kristallen (Mineralien und Funktionsmaterialien), Schmelzen, Gläsern und wässrigen Flüssigkeiten sowie deren Wechselwirkungen.

Instrumentierung

• Boehler-Almax Diamant-Ambosszellen: Für Hochdruckbeugungs- und spektroskopische Analysen von Feststoffen (0–50 GPa), kompatibel mit Hoch- und Niedrigtemperatur-Aufbauten.
• Hydrothermale Diamant-Ambosszellen (HDAC) vom Typ Bassett: Für Hochdruck- und Hochtemperaturuntersuchungen von Flüssigkeiten (0–1 GPa, 300–1000 K).
• Elektroerosion (EDM): Zum präzisen Bohren von DAC- und HDAC-Dichtungen.

Gesteinsmechanik und Magma-Rheologie

Das Labor für Gesteinsmechanik und Magma-Rheologie ist eine zentrale Anlaufstelle für die mechanische, geophysikalische und rheologische Untersuchung von Gesteinen, Magma, Metallen, Gläsern, Zementen, klastischen Systemen und Böden. Dieses Labor verfügt über ein breites Spektrum an Standard- und Sondergeräten und -werkzeugen für die physikalische Charakterisierung sowie für mechanische und rheologische Tests unter einer Vielzahl von Druckbedingungen (<100 MPa), Temperaturen (<1200 °C) und dynamischen Bedingungen (Druck, Zug, Torsion, Schwingung (<100 Hz), Flüssigkeitsdruck usw.). Zusammen mit den Geräten im Labor für thermische Analyse und im Labor für ballistische und Hochenergie-Aufpralltests kann diese Einrichtung Materialien bei einer Reihe von dynamischen Krafteinwirkungen (3 mN-300 kN) und Testgeschwindigkeiten (Submikron/s bis 24 m/s) testen. Es handelt sich um eine der größten und vielseitigsten Testeinrichtungen ihrer Art.

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Diese große einachsige Presse kann zur Bestimmung der Druck- und Zugfestigkeit von Materialien (indirekt durch den brasilianischen Test) und der Viskosität von Mehrphasenmagmen unter Verwendung der Parallelplattenmethode verwendet werden. Diese Presse ermöglicht Tests unter den folgenden Bedingungen:

Kraft: 300 kN

Dehnungsrate: 10^-6 bis 10^-1 s^-1

Oszillation: < 1 Hz

Temperatur: < 1000 °C

Probengröße (bei Kompression): D20–75 mm, L40–500 m oder D180 mm; L180 mm

Fähigkeiten: akustische Emissionen, Saphirfenster für thermografische Bildgebung, radialer Dehnungsmesser, volumetrische Dehnung

Ballistische und Hochenergie-Aufprallprüfung

Die ballistischen und Hochenergie-Aufprallprüfgeräte sind Teil des Labors für dynamische Materialprüfungen. Diese maßgeschneiderten Geräte wurden entwickelt, um die Reaktion von Materialien auf Hochenergieaufpralle zu testen, wie sie bei vulkanischen ballistischen Kollisionen (mit Gesteinen und Baumaterialien), bei Erdbebenbrüchen und bei kleinen Meteoriteneinschlägen auftreten.

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Dieses Gerät kann verwendet werden, um die mechanische Reaktion von Materialien auf Stöße sowohl bei Umgebungstemperatur als auch bei hohen Temperaturen zu bestimmen. Die Aufprallenergie wird durch Variieren der Masse des Schlagkörpers oder der Fallhöhe (~Geschwindigkeit) gesteuert. Die individuelle Anpassung ermöglicht ein schnelles Zurückholen des Schlagkörpers nach dem ersten Aufprall sowie das sofortige Abschrecken der Probe nach dem Aufprall.

Kraft: bis zu 222 kN

Energie: bis zu 1800 J

Masse/Geschwindigkeit: <70 kg / <24 m/s

Temperatur: <1200 °C

Beispielgeometrie: >40 mm Höhe

Fähigkeiten: Akustische Emissionen, Hochgeschwindigkeitsbildgebung

Rheometrie und Schmelzdichte

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Wir verfügen über drei konzentrische Zylinderviskosimeter zur Messung der Viskosität von Silikatsmelt bei hohen Temperaturen (bis zu ~1500 °C). Das Viskosimeter besteht aus einem RVTD-Brookfield-Kopf, der eine Platinspindel (mit konstanten Drehzahlen zwischen 0,5 und 100 U/min) in einer in einem Ofen gehaltenen geschmolzenen Probe verbindet und antreibt, während das auf die Spindel durch die Probe ausgeübte Drehmoment digital aufgezeichnet wird. Die Probe wird in einem Platintiegel (Durchmesser ~2,5 cm, Höhe ~5 cm) in einem der drei Öfen gehalten, von denen einer Messungen in exotischen chemischen Atmosphären ermöglicht und sich im Gasmischlabor befindet.

Rheometrie und Schmelzdichte

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Das modulare Rotationsrheometer ist für die Spitzenforschung, Forschung und Entwicklung sowie Materialcharakterisierung optimiert. Es ist für die Durchführung von stationären, oszillierenden und dynamischen rheologischen Tests in Torsionskonfiguration mittels der konzentrischen Zylinder- oder der Parallelplattenmethode ausgelegt. Es ermöglicht die Messung der Viskosität von Flüssigkeiten mit extrem niedriger Viskosität, wie wässrigen Lösungen und Karbonatschmelzen. Darüber hinaus kann es zur Untersuchung der nicht-newtonschen Viskosität von Silikatsmeltungen verwendet werden, die Blasen und/oder Kristalle enthalten.

Parameter (typischer Wert/Bereich):
Betriebstemperaturen: 20–1000 °C
Atmosphärenchemie (Gasfluss): Argon (5,0) bei 25 cm/min
Maximales Drehmoment: bis zu 230 mN·m (Messbereich)
Minimales Drehmoment: ~1 nN·m (Rotation) / ~0,2–0,5 nN·m (Oszillation)
Drehmomentauflösung: ~0,05 nN·m
Winkelabweichungsauflösung: < 1 nrad
Winkelgeschwindigkeit: 10 bis 314 rad/s (~0 bis >200 rad/s je nach Modell)
Frequenzbereich (Oszillation): ~10⁻⁸ Hz bis 200 Hz
Normalkraftbereich: ~0,001 N bis 50 N
Normalkraftauflösung: ~0,1 mN

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Der thermomechanische Analysator Netzsch TMA F1 ist ein flexibles Rheometer, mit dem die Viskosität nach der Parallelplattenmethode und durch Mikropenetration im Bereich von 10⁷ bis ~10¹² Pa s gemessen werden kann. Die Methoden werden in verschiedenen Konfigurationen eingesetzt, wobei eine Aluminiumoxidbaugruppe verwendet wird, um eine Probe (Scheibe oder Kern) unter isothermen Bedingungen zu verformen. Die Viskosität steht in direktem Zusammenhang mit der ausgeübten Spannung und der Verformungsrate bzw. der Eindringrate. Das Gerät ist für eine Reihe von Öfen (Keramik, Platin) geeignet und kann an einen Wasserdampfgenerator angeschlossen werden, um unter feuchten Bedingungen zu messen. Das Gerät kann unter den folgenden Bedingungen eingesetzt werden:

• Temperatur: bis zu 1550 °C
• Atmosphärenchemie (Gasfluss): Ar (5,0), N bei 25 cm³/min und H₂O
• Kraft: 3 mN–3 N

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Der Versuchsaufbau nutzt die Methode von Archimedes, um die Dichte von Flüssigkeiten bei hohen Temperaturen zu messen. Dazu wird eine Platinspindel verwendet, die an der Unterseite einer hochpräzisen Waage befestigt ist.