dc.contributor.author
Wehber, Michael
dc.date.accessioned
2018-06-07T16:22:58Z
dc.date.available
2010-11-12T07:07:48.472Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/2464
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-6665
dc.description.abstract
Spinelle spielen sowohl in geowissenschaftlicher Hinsicht als auch in
technischen Anwendungen eine wichtige Rolle. So besteht der Großteil der
Übergangszone zwischen dem oberen und unteren Erdmantel aus Wadsleyit und
Ringwoodit, zwei Mineralen, die in der Spinellstruktur kristallisieren. In der
Industrie sind hauptsächlich Ferritspinelle aufgrund ihrer magnetischen
Eigenschaften von Bedeutung, aber auch aluminium- und magnesiumführende
Spinelle werden in der Feuerfest-Industrie benötigt. Spinelle bilden eine
große Mineralgruppe mit der allgemeinen Formel AB2X4, wobei A für zweiwertige
und B für dreiwertige Kationen steht. Die X-Position wird vorwiegend von
Sauerstoff besetzt. Spinelle kristallisieren in der kubischen Raumgruppe Fd-3m
(Nr. 227). In einer Elementarzelle befinden sich acht Formeleinheiten. Die 32
Anionen bilden eine kubisch dichteste Kugelpackung, zwischen den Anionen
befinden sich sechzehn Oktaederlücken und acht Tetraederlücken. Die Strukturen
von drei Spinellen, Magnetit (FeFe2O4), Franklinit (ZnFe2O4) und Gahnit
(ZnAl2O4) wurden als Funktion von Temperatur und Druck am Hamburger
Synchrotronstrahlungslabor (im folgenden HASYLAB genannt) untersucht. Es
wurden energiedisperive Pulver-Röntgenbeugungs-Experimente an zwei
verschiedenen Multi-Anvil-Pressen durchgeführt. An der MAX80 (F2.1 Beamline)
wurden isotherme Experimente in einem Druckbereich bis 5 GPa und Temperaturen
von 298, 500, 700, 900 und 1100 K durchgeführt. An der MAX200x (W2 Beamline)
wurden die Spinelle bis 15 GPa untersucht. Die Auswertung der Beugungsspektren
erfolgte mit der Rietveld-Methode. Aus den Druck-Volumendaten wurde mit Hilfe
der Birch-Murnaghan Zustandsgleichung zweiter und dritter Ordnung das
isotherme Kompressionsmodul berechnet, mit den zusätzlichen Temperaturdaten
wurden die thermische Ausdehnung bei unterschiedlichen Drücken sowie der
thermische Grüneisenparameter bestimmt. Am Deutschen GeoForschungsZentrum
wurden die anisotropen elastischen Module an einem Gahnit Einkristall der
gleichen Probencharge mit Brillouin-Streuung untersucht. In einem Druckbereich
bis 21,4 GPa wurden die Geschwindigkeiten der Kompressions- und Scher-wellen
in einer Diamantstempelzelle gemessen. Daraus wurden mit Hilfe der
Christoffel-gleichung die elastischen Eigenschaften C11, C12, C44 berechnet
und das adiabatische Kompressionsmodul KS bestimmt. C'11 und C'12, die
Änderung der Module mit dem Druck, besitzen bis zu einem Druck von 15 GPa
ähnliche Werte, während C'44 einen deutlich geringeren Wert aufweist. Oberhalb
von 15 GPa steigen die Werte für C'11 und C'12 deutlich an während C'44 eine
negative Steigung aufweist. Die Änderung der elastischen Eigenschaften deutet
auf einen Phasenübergang hin. Bei Raumtemperatur wird die Phasenumwandlung von
Gahnit bei ca. 15 GPa beobachtet. Es notwendig, weitere Untersuchungen an
Gahnit durchzuführen, um die Natur dieses Phasenübergang zu charakterisieren.
Bei Magnetit ist die Curie-Temperatur sowohl durch eine Volumenänderung als
auch durch eine Änderung der temperaturabhängigen Kompressionsmodule zu
erkennen. Unterhalb der Curie-Temperatur ist das Kompressionsmodul von
Magnetit durch zusätzliche magnetische Wechselwirkungen höher als oberhalb.
Bei Temperaturerhöhung wird die Curie-Temperatur durch eine Volumenzunahme bei
Wegfall der zusätzlichen magnetischen Momente beobachtet.
de
dc.description.abstract
Spinels play important roles in geosciences as well as in technical
applications. About 65 % of the transition zone between Earth's upper and
lower mantle consists of wadsleyite and ringwoodite, both minerals adopting
the spinel structure. In industry, foremost ferritic spinels due to their
magnetic properties are used, but also aluminum- and magnesium-bearing spinels
are required in refractory industries. Spinels are a large mineral group with
the general formula AB2X4. A stands for divalent and B for trivalent cations,
X is mostly occupied by oxygen. Spinels crystallize in the cubic space group
Fd-3m (No. 227). There are eight formula units in each unit cell. The anions
form a cubic closest packing with sixteen octahedral and eight tetrahedral
vacancies. Magnetite (FeFe2O4), franklinite (ZnFe2O4) and gahnite (ZnAl2O4),
all three adopting the spinel structure, were investigated at the HASYLAB. The
experiments were carried out at MAX80 (F2.1 Beamline) and at MAX200x (W2
Beamline). Both presses use energy-dispersive X-ray diffraction. Isothermal
experiments were performed up to 15 GPa, compression experiments using MAX80
apparatus were conducted up to 5 GPa at temperatures of 298, 500, 700, 900 and
1100K. The data were evaluated using Rietveld-refinement. The bulk moduli for
each sample were calculated using the second and third order Birch-Murnaghan
equation of state, respectively. In addition, the thermal expansion and
thermal Grüneisenparameter were calculated from the high-pressure/high-
temperature data. At the GFZ German Research Center for Geosciences a single
crystal of the same gahnite sample was investigated using Brillouin-
scattering. The velocities of the p- and s-waves were measured up to 21.4 GPa
in a diamond anvil cell. The elastic constants were derived using the
Christoffel equation. The pressure derivatives C'11 and C'12 have similar
values up to 15 GPa, whereas C'44 shows a clearly lower value of. Above 15 GPa
the values for C'11 and C'12 increases significantly, while C'44 changed to a
negative slope. This behaviour indicates a phase-transition. More specified
investigations of gahnite are necessary to verify this transition to get a
better understanding of the phase transition behaviour. The Curie-temperature
of magnetite is observed in volume change as well as in a change of the
temperature-dependent bulk moduli. Below the Curie temperature, the bulk
modulus of magnetite is higher due to magnetic interactions than above. The
Curie temperature is observed during increasing temperature in an increase in
volume due to the disappearance of the magnetic momentums.
en
dc.format.extent
II, 121 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
elastic properties
dc.subject
thermal expansion
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Thermische Eigenschaften von Spinellen als Funktion des Druckes
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. F. R. Schilling
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. S. Schorr
dc.date.accepted
2010-10-29
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000019737-5
dc.title.translated
Thermal properties of spinels as a function of pressure
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000019737
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000008522
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access