Volumenfraktionen

Volumenfraktion, oft mit φ_i bezeichnet, ist in der Materialwissenschaft der Anteil einer bestimmten Phase eines mehrphasigen Materials am gesamten Volumen. Formal definiert sie φ_i = V_i / V_total, wobei V_i das Volumen der Phase i und V_total das Gesamtvolumen des betrachteten Materials ist. Die Volumenfraktionen aller Phasen ergeben zusammen 1.

Die Volumenfraktionen geben Auskunft über die relative Menge jeder Phase und beeinflussen maßgeblich mechanische, thermische und transportbezogene Eigenschaften. So bestimmen beispielsweise der Gehalt an Füllstoffen in Verbundwerkstoffen oder der Porenanteil in Keramiken maßgeblich Festigkeit, Steifigkeit, Dämpfung und Dichtheit. Häufig werden Volumenfraktionen gemeinsam mit den Dichten der Phasen zur Bestimmung der Mischdichte verwendet.

Berechnung aus Dichten: Die gemessene Dichte des Mischkörpers ρ ergibt sich aus ρ = Σ φ_i ρ_i. Die Gewichtsfraction w_i aus φ_i ergibt sich zu w_i = φ_i ρ_i / ρ. Umgekehrt lassen sich φ_i aus gemessenen Massenanteilen und bekannten Dichten ableiten.

Messung: Volumenfraktionen können durch Bildanalyse von Mikroskopaufnahmen, Röntgen- oder Computertomographie bestimmt werden, oft unter Anwendung des Delesse-Prinzips (Schnittbildmethode). Für poröse Materialien dient die Archimedes-Methode der Bestimmung der Porenfraktion. Bildbasierte Verfahren ermöglichen auch dreidimensionale Volumenfraktionen.

Beispiele: In Verbundwerkstoffen ist die Volumenfraktion der Faser- oder Füllstoffphase entscheidend für die Festigkeit. In Keramiken können Porenfraktionen die Bruchzähigkeit beeinflussen. In Legierungen beschreiben Volumenfraktionen von Phasen wie Ferrit und Zementit den Phasenaufbau des Materials.