Die Wärmeleitfähigkeit hat einen unmittelbaren Einfluss auf alle wärmetechnischen Anwendungen der Werkstoffe. Typische Materialsysteme sind beispielsweise offen oder geschlossen poröse Kunststoffe, Metalle oder Keramiken sowie Schicht- oder Faserverbundstrukturen aus unterschiedlichsten Materialien (organische und anorganische Stoffe). Die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden haben nun einen kompakten Versuchsaufbau entwickelt, mit dem die Wärmeleitfähigkeit dieser Werkstoffe bei höheren Temperaturen zuverlässig gemessen werden kann.
Werkstoff ist nicht gleich Werkstoff
Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit speziell bei hohen Temperaturen ist in vielen technischen Bereichen relevant, konnte jedoch bisher insbesondere für poröse oder Verbundwerkstoffe nur unzuverlässig bestimmt werden. So sind diese Messwerte beispielsweise wichtig bei der Dimensionierung von Wärmedämmschichten an Hochtemperaturanlagen zur Minimierung thermischer Verluste, aber auch für das zuverlässige Design und den energieeffizienten Betrieb von Hochtemperatur-Wärmeübertragern und -speichern. Aus den Messungen lassen sich Informationen über Einflussfaktoren wie Art des Werkstoffes, geometrische Struktur eines Verbundes oder thermische Übergangswiderstände in Schichtwerkstoffen ableiten.
Temperatur so flexibel messen wie noch nie
Im neuen Versuchsaufbau des Fraunhofer IFAM Dresden können unter Vakuum oder in variabler Gasatmosphäre Proben mit einer Grundfläche von 50 x 50 Quadratmillimetern und einer Höhe von bis zu 20 Millimetern vermessen werden. In Ergänzung der bereits vorhandenen baugleichen Raumtemperaturanlage sind zukünftig Messungen der Wärmeleitfähigkeit in beliebigen Temperaturschritten zwischen 20 °C und 600 °C möglich. Insbesondere die Flexibilität des Temperaturbereiches kombiniert mit dem breiten Spektrum an untersuchbaren Werkstoffen stellt laut Fraunhofer IFAM ein Novum dar.
Neben Wärmeleitfähigkeit auch Wärmekapazität messen
Mit der neuen Messvorrichtung ergänzt das Fraunhofer IFAM Dresden sein Portfolio an bestehenden Anlagen zur Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit, zu dem des Weiteren eine sogenannte Hot-Disk-Apparatur (auch für Flüssigkeiten und Schüttungen) und eine Nano-Flash-Anlage gehören. Die Hot-Disk-Apparatur ermöglicht neben der Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit auch die Messung der volumenbezogenen Wärmekapazität, eine wichtige Stoffgröße für die Aufwärm- und Abkühlcharakteristik eines Stoffes bzw. Stoffverbundes.
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