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Materialien identifizieren und Messdaten vergleichen – thermische Eigenschaften mit Referenzwerten und eigenen Messungen innerhalb einer gemeinsamen Datenbank abgleichen.
Thermische und thermophysikalische Messungen liefern charakteristische Informationen über das Verhalten von Materialien. Schmelztemperaturen, Glasübergänge, Massenänderungen oder thermische Transporteigenschaften können dabei helfen, Werkstoffe zu charakterisieren und Unterschiede zwischen Proben zu erkennen.
Häufig stellt sich nach der Auswertung jedoch eine weitere Frage: Wie lassen sich die ermittelten Eigenschaften einem Material zuordnen oder mit bereits bekannten Messergebnissen vergleichen?
Die LINSEIS Thermal Library erweitert die LiEAP Evaluation Software um eine datenbankgestützte Suche und den Vergleich thermischer Messdaten. Ausgewertete Eigenschaften einer Messung können mit vorhandenen Referenzdaten sowie eigenen gespeicherten Messungen abgeglichen werden.
Gleichzeitig lässt sich die Datenbank um weitere Materialien und Referenzmessungen ergänzen. So entsteht mit zunehmender Nutzung eine individuelle Wissensbasis, auf die bei späteren Materialuntersuchungen zurückgegriffen werden kann.
Von der Messung zum Materialvergleich
In vielen Laboren werden regelmäßig ähnliche Materialien untersucht. Die dabei entstehenden Messdaten enthalten wertvolle Informationen, werden jedoch häufig innerhalb einzelner Projekte gespeichert.
Soll eine neue Probe mit früheren Untersuchungen verglichen werden, müssen die entsprechenden Messungen zunächst wiedergefunden und ihre Ergebnisse gegenübergestellt werden.
Die Thermal Library unterstützt diesen Arbeitsschritt, indem ausgewertete Materialeigenschaften in einer durchsuchbaren Datenbank zusammengeführt werden.
Neben vorhandenen Referenz- und Literaturwerten können eigene Messergebnisse gespeichert und für spätere Vergleiche verwendet werden. Bereits charakterisierte Materialien lassen sich dadurch gezielt als Referenz für neue Untersuchungen heranziehen.
Wie funktioniert die LINSEIS Thermal Library?
Der grundlegende Ablauf umfasst fünf Schritte:
Messung → Auswertung → Merkmalsauswahl → Datenbanksuche → Vergleich
Messung durchführen und auswerten
Zunächst wird die Probe mit dem entsprechenden LINSEIS-Messsystem untersucht. Die aufgezeichneten Messdaten werden anschließend in der LiEAP Evaluation Software geöffnet und ausgewertet.
Welche Eigenschaften dabei bestimmt werden, hängt von der verwendeten Messmethode ab.
Bei einer DSC-Messung können beispielsweise charakteristische Peaktemperaturen, Schmelzenthalpien oder Glasübergänge ermittelt werden. Bei einer thermogravimetrischen Analyse stehen dagegen Massenänderungen und die zugehörigen Temperaturbereiche im Vordergrund.
Diese Auswerteergebnisse bilden die Grundlage für die spätere Datenbanksuche.
Relevante Materialeigenschaften auswählen
Nach der Auswertung werden die Eigenschaften festgelegt, die für den Vergleich mit vorhandenen Materialien verwendet werden sollen. Bei einer TGA-Messung können beispielsweise eine relative Massenänderung und die Temperatur des entsprechenden Ereignisses ausgewählt werden.
Für DSC-Messungen stehen unter anderem Peaktemperaturen, Schmelztemperaturen oder Peakflächen als Vergleichsmerkmale zur Verfügung.
Die Auswahl richtet sich nach der jeweiligen Fragestellung. Nicht jedes thermische Ereignis ist gleichermaßen geeignet, um ein Material zu unterscheiden.
Durch die gezielte Kombination mehrerer Merkmale lässt sich die Suche auf diejenigen Eigenschaften konzentrieren, die für die aktuelle Untersuchung relevant sind.
Messbedingungen berücksichtigen
Thermische Messergebnisse hängen nicht ausschließlich vom untersuchten Material ab. Auch die Versuchsbedingungen können den Verlauf einer Messkurve und die ermittelten Kennwerte beeinflussen.
Dazu gehören beispielsweise die Heizrate, die Gasatmosphäre oder weitere methodenspezifische Messparameter.
Die Thermal Library ermöglicht es, solche Bedingungen bei der Datenbanksuche als Filter zu berücksichtigen.
Dies ist insbesondere dann relevant, wenn Ergebnisse aus unterschiedlichen Messungen miteinander verglichen werden. So können beispielsweise Messdatensätze bevorzugt werden, die unter ähnlichen Versuchsbedingungen entstanden sind.
Ein sinnvoller Materialvergleich setzt dennoch voraus, dass die ausgewählten Kenngrößen und Messbedingungen fachlich zueinander passen.
Datenbank nach passenden Materialien durchsuchen
Nach der Auswahl der Merkmale wird die Datenbanksuche gestartet.
Die Thermal Library gleicht die ausgewählten Eigenschaften mit vorhandenen Datensätzen ab. Dabei können sowohl bereitgestellte Referenzdaten als auch selbst gespeicherte Messungen berücksichtigt werden.
Die Datenbank kann beispielsweise Referenzinformationen zu unterschiedlichen Rohstoffen, Materialqualitäten, Produktionschargen oder internen Standards enthalten.
Der Vergleich erfolgt somit nicht nur mit allgemein verfügbaren Materialdaten, sondern kann auch auf bereits vorhandenes Wissen aus dem eigenen Labor zurückgreifen.
Suchergebnisse bewerten und vergleichen
Die Ergebnisse der Datenbanksuche werden in einer Übersicht dargestellt.
Für jeden gefundenen Datensatz zeigt die Thermal Library einen prozentualen Übereinstimmungswert an. Dieser beschreibt, wie gut die ausgewählten Eigenschaften der aktuellen Messung mit dem jeweiligen Datenbankeintrag übereinstimmen.
Auf diese Weise können mehrere potenziell passende Referenzmaterialien gegenübergestellt werden.
Die Suche erfolgt typischerweise innerhalb von ein bis zwei Sekunden.
Wichtig für die Interpretation: Eine hohe prozentuale Übereinstimmung bedeutet nicht automatisch, dass ein Material eindeutig identifiziert wurde. Der Wert beschreibt zunächst die Übereinstimmung der berücksichtigten Merkmale. Für eine belastbare Materialzuordnung müssen auch die Messbedingungen, die Aussagekraft der ausgewählten Eigenschaften und gegebenenfalls weitere Untersuchungsergebnisse berücksichtigt werden.
Materialidentifikation mit DSC, TGA und STA
Welche Materialeigenschaften für die Datenbanksuche verwendet werden, hängt vom Messverfahren ab. Besonders anschaulich lässt sich das Prinzip anhand der dynamischen Differenzkalorimetrie und der thermogravimetrischen Analyse erklären.
DSC: Thermische Übergänge als charakteristische Merkmale
Die dynamische Differenzkalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) dient der Untersuchung thermischer Übergänge und Reaktionen. Dazu gehören beispielsweise Schmelz- und Kristallisationsvorgänge sowie Glasübergänge.
Viele Materialien zeigen unter definierten Versuchsbedingungen charakteristische thermische Ereignisse. Die daraus bestimmten Temperaturen und Enthalpien können wichtige Hinweise auf die Materialzusammensetzung und den Materialzustand liefern.
In der Thermal Library können entsprechende Auswerteergebnisse als Merkmale für den Vergleich mit vorhandenen Referenzdaten genutzt werden.
Bei einer Polymerprobe lassen sich beispielsweise ermittelte Schmelztemperaturen mit gespeicherten Referenzmaterialien vergleichen. Stimmen mehrere charakteristische Eigenschaften überein, kann dies die Eingrenzung potenzieller Materialien unterstützen.
Allerdings können verschiedene Polymere ähnliche thermische Übergänge aufweisen. Auch Kristallinität, Additive und thermische Vorgeschichte beeinflussen das Messergebnis. Deshalb sollte die Zuordnung nicht allein auf einer einzelnen Peaktemperatur beruhen.
TGA: Massenänderungen für den Materialvergleich nutzen
Bei der thermogravimetrischen Analyse (TGA) wird die Masse einer Probe während eines definierten Temperaturprogramms kontinuierlich erfasst.
Verdampfung, Zersetzung oder chemische Reaktionen können dabei zu charakteristischen Massenänderungen führen.
Neben der Höhe des Massenverlusts können insbesondere die Temperaturen und Temperaturbereiche, in denen eine Massenänderung auftritt, wichtige Informationen liefern.
Die Thermal Library ermöglicht es, diese Eigenschaften für den Vergleich mit vorhandenen Materialdaten zu verwenden.
Ein typisches Anwendungsbeispiel ist die Untersuchung von Kunststoffen mit unterschiedlichen Füllstoffgehalten. Hier können charakteristische Zersetzungsbereiche und die verbleibende Restmasse Hinweise auf Unterschiede zwischen den Proben geben.
Dabei müssen insbesondere die Gasatmosphäre und die Heizrate berücksichtigt werden, da sie das thermogravimetrische Verhalten beeinflussen können.
STA: Mehrere Messsignale gemeinsam betrachten
Die simultane thermische Analyse (STA) kombiniert thermogravimetrische und kalorimetrische Messinformationen innerhalb eines Versuchs.
Dadurch stehen sowohl Daten zur Massenänderung als auch Informationen zu thermischen Ereignissen zur Verfügung.
Bei einer Materialuntersuchung können beispielsweise ein charakteristischer Massenverlust und ein gleichzeitig auftretendes thermisches Ereignis gemeinsam betrachtet werden.
Die Kombination verschiedener Messinformationen kann helfen, Materialien differenzierter zu charakterisieren als anhand eines einzelnen Messsignals.
Eigene Referenzdatenbank aufbauen
Neben dem Vergleich mit bereits vorhandenen Referenzdaten ermöglicht die Thermal Library den Aufbau einer eigenen Materialdatenbank.
Neue Messungen können aufgenommen und für spätere Untersuchungen als Referenz verwendet werden.
Auf diese Weise lässt sich das im Labor erarbeitete Materialwissen schrittweise erweitern.
Wiederkehrende Materialien gezielt vergleichen
Gerade bei regelmäßig untersuchten Werkstoffen kann eine eigene Referenzdatenbank den Vergleich neuer Proben erleichtern.
In der Qualitätskontrolle lassen sich beispielsweise Messdaten freigegebener Rohstoffe als Vergleichsbasis hinterlegen. Neue Materialchargen können anschließend anhand ausgewählter thermischer Eigenschaften mit diesen Referenzen abgeglichen werden.
Auch in Forschung und Entwicklung kann eine strukturierte Sammlung eigener Messungen hilfreich sein.
Werden unterschiedliche Materialformulierungen oder Entwicklungsstufen untersucht, können deren charakteristische Eigenschaften gespeichert und später erneut für Vergleichsuntersuchungen verwendet werden.
So entsteht eine Datenbasis, die nicht nur einzelne Messergebnisse dokumentiert, sondern auch die Entwicklung und Bewertung von Materialien unterstützt.
Referenzmessungen unter vergleichbaren Bedingungen
Für einen aussagekräftigen Vergleich sollten Referenz- und Probenmessungen unter möglichst vergleichbaren Bedingungen durchgeführt werden.
Unterschiedliche Heizraten, Atmosphären oder Probenvorbereitungen können zu abweichenden Ergebnissen führen, selbst wenn es sich um dasselbe Material handelt.
Deshalb sollten relevante Versuchsparameter gemeinsam mit den ausgewerteten Materialeigenschaften berücksichtigt werden.
Die Möglichkeit, entsprechende Messbedingungen in die Datenbanksuche einzubeziehen, unterstützt eine gezieltere Auswahl geeigneter Referenzmessungen.
Visualisierung erstellt mit KI-basierter Bildgenerierung.
Thermal Library und LiEAP: Messdaten gemeinsam nutzen
Die Thermal Library ist als optionale Erweiterung in das Softwarekonzept der LINSEIS LiEAP eingebunden.
Während LiEAP die Vorbereitung, Durchführung und Auswertung von Messungen unterstützt, ergänzt die Thermal Library den Arbeitsablauf um den datenbankgestützten Vergleich bereits ermittelter Materialeigenschaften.
Ausgewertete Messdaten können damit nicht nur innerhalb eines Projekts betrachtet, sondern auch mit vorhandenen Referenzinformationen verknüpft werden.
Dies ermöglicht einen durchgängigen Ablauf von der Messung bis zur Materialbewertung:
Messvorbereitung → Datenerfassung → Auswertung → Datenbankvergleich → Dokumentation
Für Labore, die regelmäßig ähnliche Materialien untersuchen, kann dadurch eine strukturierte Verbindung zwischen aktuellen Messergebnissen und bereits vorhandenem Materialwissen entstehen.
Mehr über die Messvorbereitung, Datenerfassung und Auswertung mit LINSEIS LiEAP erfahren.
Messdaten langfristig als Materialwissen nutzen
Die LINSEIS Thermal Library ergänzt die klassische Messdatenauswertung um die Möglichkeit, charakteristische Materialeigenschaften systematisch mit vorhandenen Referenzen zu vergleichen.
Durch die Kombination aus Datenbanksuche, Berücksichtigung relevanter Messbedingungen und Speicherung eigener Referenzmessungen können Messergebnisse auch über einzelne Untersuchungen hinaus genutzt werden.
So entsteht eine wachsende Materialdatenbank, die den Vergleich neuer Proben unterstützt und bereits vorhandenes Wissen für zukünftige Forschungs- und Prüfaufgaben zugänglich macht.
