Abstract (deu)
Millimeter große Alkalifeldspatwürfel mit polierten (010) und (001) Flächen wurden mit NaCl– KCl-Salzschmelze ausgetauscht. Die Ausgangszusammensetzungen der Sanidine mit Edelsteinqualität betrugen XOr = 0.84 und XOr = 0.72. Die Experimente wurden in Quarzglasröhrchen unter Atmosphärendruck bei 850 °C mit einer Laufzeit von 8 Tagen durchgeführt. XKCl der Salzschmelze wurde auf Grundlage des Austauschdiagramms von Alkalifeldspat und NaCl – KCl so gewählt, dass Sanidin zu Albit-reicheren Zusammensetzungen verschoben wurde. Der Austausch des Feldspates mit der Salzschmelze findet durch Interdiffusion der Kationen statt, während das Tetraeder-Gitter nicht verändert wird.
Ab einem kritischen Ausmaß der Zusammensetzungänderung bildet sich ein hierarchisches Rissmuster aufgrund der Zusammensetzungsabhängigkeit der Gitterparameter. Das deutlich ausgebildete Set an parallelen Rissen verläuft entlang (h0l) und schließt einen Winkel von 83° für einen Sanidin mit der Ausgangszusammensetzung XOr = 0.84 und einen Winkel von 73° für einen Sanidin mit der Ausgangszusammensetzung XOr = 0.72 mit der [001] Richtung ein (gemessen von der positiven [001] Richtung zur positiven [010] Richtung). Lokal bildet sich ein zweites Set an Rissen, das entlang der (010) Spaltebenen verläuft.
Das Rissmuster wird aufgrund der starken Anisotropie der Gitterparameter der Alkalifeldspate erzeugt. Bei der Zusammensetzungänderung von einem Kalium-Feldspat zu einem Natrium-Feldspat verkürzt sich die [001] Richtung 5-mal stärker als die [010] und die [001] Richtung. Durch Kationenaustausch bildet sich um das Sanidin-Korn ein Albit-reicher Saum. Da die beiden Gitter sich in der Größe unterscheiden wird der Saum, der den größeren und damit steiferen Kern umgibt, elastisch gedehnt. Sobald jedoch ein kritischer Wert in der Dehnung überschritten ist, bilden sich Risse. Die ersten Risse wurden bei einer Zusammensetzungänderung von 8 Mol.-% festgestellt, woraus sich eine Spannung von 343 MPa berechnen lässt.
Die Risse der ersten hierarchischen Ordnung sind senkrecht zur Richtung der maximalen Zugspannung orientiert, was für die Bildung von spröden Rissen zu erwarten ist. Die Risse haben dieselbe Orientierung wie die Entmischungslamellen von Alkalifeldspäten, die so orientiert sind, dass sie die Spannungsenergie, die durch das kohärente Gitter aufgebaut wird, minimieren. In die Risse der ersten Ordnung kann die Salzschmelze eindringen. Dadurch wird auf den Rissflächen eine neue Oberfläche parallel zu (h0l) für Kationenaustausch geschaffen. Auf diesen bildet sich erneut eine nicht passende Oberfläche in der sich senkrecht zur maximalen Zugspannung Risse bilden.
Die Risse der ersten Ordnung, die von den polierten Oberflächen aus losgehen, zeigen regelmassige Rissabstände, die mit zunehmender Zusammensetzungänderung enger werden. Aufgrund dieser Tatsache lässt sich eine Bruchzähigkeit von 400 MPa√mm für Alkalifeldspate bestimmen.