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Die Flash Methode (Temperaturleitfähigkeit)

Die Flash-Methode ist eine Methode zur Bestimmung des Temperaturleitfähigkeitsvermögens verschiedener Materialien.

Dazu wird die Probe einem hochintensiven Strahlungsenergieimpuls kurzer Dauer ausgesetzt. Die Energiequelle kann ein Laser oder eine Blitzlampe sein. Die Energie wird dann von der Probe absorbiert und auf der Oberseite der Probe wieder emittiert. Diese Strahlung führt zu einem Temperaturanstieg auf der Oberfläche der Probe. Dieser Temperaturanstieg wird von einem Infrarot (IR)-Detektor aufgezeichnet.

Der schematische Messaufbau und -ablauf ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Laser Flash Aufbau 

Das Signal des Detektors zeigt die Messdauer sowie den normierten Temperaturanstieg auf der Probenoberseite. Für die Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit wird zunächst ein Modell an die gemessenen Daten gefittet, die die Basislinie und den maximalen Temperaturanstieg (delta T max) bestimmt. Des Weiteren wird die Zeit  ermittelt, bei der die Hälfte des maximalen Temperaturanstiegs (delta T 1/2) erreicht wurde.

Halbzeitwert Flash Methode

Die Temperaturleitfähigkeit wird mittels der Probendicke und der Zeitdauer des halben Temperaturanstiegs  auf der Probenoberseite über den folgenden Zusammenhang bestimmt.

alpha equation

Diese Formel ist aus dem physikalischen Modell des thermischen Verhaltens einer adiabatischen Materialplatte mit konstanter Dicke abgeleitet, die bei konstanter Temperatur mit einem kurzen Energieimpuls bestrahlt wurde. Hier werden verschiedene Annahmen getroffen, die von der Realität abweichen. Diese Abweichungen von der Realität werden in den Anpassungsmodellen berücksichtigt und beinhalten eine endliche Pulslänge der Energiequelle und den Wärmeverlust der Probe in die Umgebung.

Durch Kenntnis der Dichte und der spezifischen Wärmekapazität der Probe kann die Wärmeleitfähigkeit mit der folgenden Gleichung berechnet werden.

Gleichung Wärmeleitfähigkeit

Dabei ist zu beachten, dass die Parameter temperaturabhängig sind. Daher ist eine Messung dieser Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur für die Charakterisierung des Materials notwendig.

Die Vorteile der Flash-Methode liegen in der schnellen und zerstörungsfreien Messung von niedrig bis hoch leitfähigen Proben. Darüber hinaus ist die erforderliche Probengeometrie einfach und es können kleine Proben mit einfacher Präparation untersucht werden.

Welche Eigenschaften werden mit der Flash-Methode bestimmt?

Die Flash-Methode bestimmt die Temperaturleitfähigkeit. Mit einem geeigneten Referenzmaterial ist es auch möglich, die spezifische Wärmekapazität in einem vergleichenden Verfahren zu messen. Das Temperaturleitvermögen, die spezifische Wärmekapazität und die Dichte können dann zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit verwendet werden.

Eigenschaften:

  • Temperaturleitfähigkeit
  • Spezifische Wärmekapazität Cp
  • Dichte

Welche Normen gelten für die Flash-Methode?

  • ASTM E1461 – Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method
  • ASTM E2585 – 09(2015) Standard Practice for Thermal Diffusivity by the Flash Method