Special Metal Technologies

SMT
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Gründung	Januar 2007
Ort	Leoben, Österreich
Leitung	Alexander C. Wimmer
Website

Special Metal Technologies (SMT) ist ein Forschungsprojekt, das durch internationale Zusammenarbeit die Eigenschaften von Edelmetallen, Refraktärmetallen und anderen Übergangsmetallen untersucht. Durch Untersuchungen, vor allem in wenig untersuchten Randgebieten der traditionellen Werkstoffwissenschaften, werden vor allem die Erstarrung von schmelzflüssigen Übergangsmetallen unter besonderen Bedingungen untersucht. Der Projektleiter Alexander C. Wimmer ist Studienassistent am Institut für Physikalische Chemie der Montanuniversität Leoben und hält Kurse für Metallographie an der HTBLuVA St. Pölten ab.

Es wurde beispielsweise untersucht, welchen Einfluss Wasserstoff auf die Erstarrung von Zink und dessen schwerere Homologen hat. Neben Wasserstoff wurde auch Vakuum als Erstarrungsatmosphäre verwendet, wobei wiederum besondere Oberflächenphenomene auftraten. Das lässt den Schluss zu, dass neben den chemischen vor allem die physikalischen Eigenschaften (wie etwa die Dichte) massiven Einfluss auf die Erstarrungsmorphologie haben.

Weiteres Forschungsgebiet sind der Einfluss von Verunreinigungen, vor allem Sauerstoff und Oxiden, auf das Erstarrungsverhalten von Refraktärmetallen. Hier wurde beispielsweise gezeigt, dass bereits durch geringste Mengen an Oxiden oder anderen Refraktärmetallen (<0.01 %) das Erstarrungsverhalten von Molybdän signifikant verändert, was zukünftig für eine einfache Reinheitsbestimmung von Molybdänproben verwendet werden könnte.

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1 Forschungsbereiche

1.1 Reinigung von Metallen

Datei:Geschmolzenes Tantal bei 4,000 Grad Celsius.JPG

Je nach Reinheit liegt die Erstarrungszeit der etwa 30 Gramm schweren Proben zwischen wenigen hundert Millisekunden bis zu 2 Sekunden

Das Projekt beschäftigt sich mit der Reinigung von Metallen von handelsüblichen Reinheiten wie etwa 99.95 Prozent bei Edel- und Refraktärmetallen zu Reinheiten von über 99.999 Prozent.

Die Reinigung geschieht bei Refraktärmetallen durch das Schmelzen im Vakuum und Überhitzen der Schmelze, wodurch Verunreinigungen selektiv verdampfen.

Bei Edelmetallen wie etwa Silber wurden zuerst Verunreinigungen durch Erhitzen des Metalls knapp unterhalb des Siedepunkts von Silber abgetrennt, der Gehalt an anderen Edelmetallen wurde durch mehrfache Elektrolyse in wässriger Lösung auf unter 10 ppm gesenkt.

Datei:Macroetched Aluminium.JPG

Bereits geringste Mengen an Verunreinigungen verkleinern die Korngrösse von gegossenem Aluminium bei gleicher Abkühlgeschwindigkeit signifikant

1.2 Züchtung von Metallkristallen

Neben der Züchtung von Einkristallen von Metallen wie Zink, Bismut, Blei, Zinn und Silber wurden auch grobkristalline Proben von Tantal, Wolfram und anderen Refraktärmetallen durch Schmelzen hergestellt und unter anderem die Tieftemparatureigenschaften näher untersucht.

Entgegen der weit verbreiteten Meinung, dass Refraktärmetalle bei tiefen Temperaturen spröde sind, zeigte sich, dass hochreines Tantal selbst bei Temperaturen des flüssigen Stickstoffs noch verformbar ist. Vielmehr ist die Tieftemperatursprödigkeit auf unzureichende Reinheit der Proben zurückzuführen, da sich Oxide an den Korngrenzen anlagern und so zum Sprödbruch führen.

Bei dem Projekt wurden auch erstmals oxidationsempfindliche Metalle wie Scandium, Holmium und Yttrium im Lichtbogen unter spezieller Gasatmosphäre ohne Oxidation geschmolzen.

Datei:Rhodium loest sich in gluehendem Salzbad.JPG

Nach dem Auflösen des Rhodiumschwammes in glühendem Kaliumhydrogensulfat wurde das Metall elektrolytisch abgeschieden, wobei eine Verminderung des Verunreinigungsgehaltes um den Faktor 5 festgestellt wurde

1.3 Prüfung der Reinheit

Neben den traditionellen Methoden der Reinheitsbestimmung wie mittels Massenspektrometer oder Funkenspektrometer wurden auch Methoden entwickelt, um durch das Erstarrungsverhalten qualitative Rückschlüsse auf den Gehalt von Verunreinigungen wie Sauerstoff, Wolfram und anderen Elementen zu schliessen.

1.4 Flüssiger Kohlenstoff

Aktuelles Forschungsgebiet im Jahr 2009 ist die Herstellung von flüssigem Kohlenstoff im Lichtbogen, wobei diese Experimente an die Forschung von Prof. Mildred Dresselhaus vom MIT anschliessen, welche in den Achtziger Jahren erstmals flüssigen Kohlenstoff mittels Laserstrahlung herstellte.

Vor allem jetzt rückt das Interesse an flüssigem Kohlenstoff wieder in den Vordergrund der Forschung, da man sich interessante Wechselwirkungsreaktionen zwischen flüssigem Kohlenstoff und Kohlenstoffnanoteilchen (Fullerene, Nanotubes) erwartet.

Das wesentliche Problem bei der Herstellung von flüssigem Kohlenstoff ist, dass das Element bereits beim Schmelzpunkt einen sehr hohen Dampfdruck aufweist. Gleichzeitig ist die Wärmeleitfähigkeit von flüssigem Kohlenstoff äusserst gering, wodurch die zugeführte Wärmemenge extrem genau gesteuert werden muss, da der Kohlenstoff sonst ohne Bildung einer flüssigen Phase verdampft.

Bei der Forschung von Prof. Dresselhaus hat sich gezeigt, dass das Schmelzen von Graphit am besten in einem Graphittiegel geschieht, genauer gesagt wird ein Zylinder aus Graphit verwendet, dessen Kern aufgeschmolzen wird und der vorhandene, restliche Graphit als Tiegel dient.

2 Literatur

M. S. Dresselhaus und J. Steinbeck: Liquid Carbon. Tanso 132, 44-56 (1988)
Alexander C. Wimmer: Über die Stabilität der chemischen Elemente. Diskussion 334, (05/2007)
Alexander C. Wimmer: Die Grenzen der Physik und Chemie. ProScientia, (05/2009)