Stellen Sie sich vor, ein Raumfahrzeug verlässt mit Höchstgeschwindigkeit die Atmosphäre auf dem Weg in den grenzenlosen Raum. Dabei ist es extremen Temperaturen ausgesetzt – von den eiskalten Bedingungen des Weltraums bis hin zur glühenden Hitze beim Wiedereintritt in die Atmosphäre. Jedes Material, das in einem solchen Raumfahrzeug zum Einsatz kommt, muss diese Temperaturen unbeschadet überstehen. Doch wie lässt sich sicherstellen, dass ein Material solchen Belastungen standhält? Die Grundlage liegt in der präzisen Messung der thermischen Eigenschaften der Materialien – und genau hier kommt die Laser Flash-Methode ins Spiel.
Diese innovative Technologie ermöglicht es, die Wärmeleitfähigkeit von Materialien mit sehr hoher Präzision zu bestimmen. Dies ist besonders entscheidend für die Charakterisierung von Materialien, die in Hochleistungsanwendungen, wie der Luft- und Raumfahrt, aber auch in der Halbleiterindustrie und der Kryotechnologie zum Einsatz kommen. Doch wie funktioniert die Methode genau, und warum ist sie ein Gamechanger für die Materialforschung?
Wie funktioniert die Laser Flash-Methode?
Die Laser Flash-Methode basiert auf einem einfachen, aber äußerst effektiven Prinzip: Ein kurzer Energieimpuls – in unserer Anlage ein Laserstrahl – trifft auf eine flache Probe und erhitzt sie auf einer Seite. In Bruchteilen einer Sekunde breitet sich die Wärme in dem Material aus, und ein Infrarotsensor misst, wie sich die Temperatur auf der anderen Seite der Probe verändert. Die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur auf der gegenüberliegenden Seite ansteigt, hängt von der Temperaturleitfähigkeit (thermische Diffusivität) des Materials ab. Je schneller die Temperatur ansteigt, desto höher ist die Temperaturleitfähigkeit. Zusammen mit der spezifischen Wärmekapazität und der Dichte des Materials lassen sich zusätzliche Informationen über die thermischen Eigenschaften des Werkstoffs gewinnen, wie zum Beispiel die Wärmeleitfähigkeit.
Zur Veranschaulichung versetzen wir uns in die Lage einer Raumfahrtingenieurin oder eines Raumfahrtingenieurs. Geplant ist eine interplanetare Mission zu einem der interessantesten Himmelskörper unseres Sonnensystems, dem Saturnmond Titan. Dieser weist zahlreiche Parallelen zur Erde auf, was ihn zu einem äußerst interessanten Forschungsobjekt macht. Um sicherzustellen, dass die Struktur sowie der Hitzeschild den extremen Temperaturen standhalten, benötigen die Ingenieurinnen und Ingenieure genaue Daten über die Wärmeleitfähigkeit der zur Auswahl stehenden Werkstoffe. Die Laser Flash-Methode liefert in wenigen Sekunden die notwendigen Werte, um die richtige Entscheidung zu treffen – schnell und präzise. Ebenso lassen sich mit flüssigem Stickstoff Temperaturen von -100 °C erreichen, wie sie im Weltraum herrschen. Bei bekannter Werkstoffdichte ermöglicht es die Laser Flash-Methode, mit Hilfe einer Referenzprobe direkt die Wärmekapazität des Materials zu bestimmen. Da es sich um ein transientes Verfahren handelt, erfolgt die Temperaturmessung über einen kurzen Zeitraum mit minimalen Wärmeverlusten. Doch was hebt die Laser Flash-Methode nun von den vielen anderen Messverfahren ab?
Warum ist diese Methode ein Gamechanger?
Die Vielseitigkeit der Laser Flash-Methode ist beeindruckend, weshalb sie sich für die Materialanalyse in verschiedenen Industrien eignet. Sie funktioniert nicht nur für Metalle, sondern auch für Keramiken und Polymere oder Faser-Metall-Laminate (FML). Bei FML handelt es sich um hybride Laminate aus Faser- und Metalllagen. Diese Kombination ermöglicht zusätzliche Funktionalitäten, wie beispielsweise integrierte Leiterbahnen oder eine Steigerung der Lochleibungsfestigkeit in Fügebereichen. Besonders hervorzuheben ist der bereits erwähnte weite Temperaturbereich, den die Methode abdeckt: Sie misst Temperaturen von -100 °C bis 1.250 °C und kann somit Temperaturleitfähigkeiten bei verschiedenen Materialtemperaturen ermitteln. Das macht sie zu einem idealen Werkzeug für die Analyse von Materialien in der Luft- und Raumfahrt sowie der Kryotechnologie.
Am Institut ist seit Sommer 2024 der Laser Flash Analysator LFA467 HyperFlash verfügbar. Dank der Möglichkeit, bis zu 16 Proben gleichzeitig messen zu können, gilt sie als eine der schnellsten Methoden auf ihrem Gebiet und bietet die Option, sowohl In- als auch Out-of-Plane zu messen. Die Probendicke kann sich in einem Bereich von 0,01 mm bis 6 mm bewegen. Der Messbereich der Temperaturleitfähigkeit umfasst 0,01 mm²/s bis 2.000 mm²/s, während sich die Wärmeleitfähigkeit zwischen 0,1 W/(mK) und 4.000 W/(mK) bestimmen lässt.
Die Produktpalette der Laser Flash Analysatoren umfasst verschiedene Ausführungen mit unterschiedlichen Messbereichen. Zum Vergleich ermöglicht die LFA467 HAT HyperFlash Messungen in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1250 °C unter Verwendung einer Xenonlampe, während die LFA467 am Institut für Systemleichtbau einen Temperaturbereich von -100 °C bis zu 500 °C realisieren kann.
Dennoch werden Sie sich jetzt fragen: Warum also die Laser Flash-Methode und nicht eine andere? Alternativen zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit, wie die Guarded-Hot-Plate-Methode oder das Heat-Flow-Meter, sind auf dem Markt zu finden. Doch die Laser Flash-Methode bietet entscheidende Vorteile: Sie liefert innerhalb von Sekunden exakte Werte, benötigt nur minimale Probenmengen, verwendet ein einfaches Probendesign und minimiert durch den kurzen Energieimpuls unerwünschte Wärmeverluste, die vor allem bei stationären Messverfahren mit langen Heiz- und Kühlzeiten auftreten. Das macht sie nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger und effizienter. Besonders bei der Untersuchung von dünnen Proben oder Materialien, die extrem schnell Wärme leiten, bietet die Laser Flash-Methode außergewöhnliche Genauigkeit und Präzision.
Obwohl die Laser Flash-Methode eine der genauesten und schnellsten Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit ist, gibt es Randbedingungen, die bei Missachtung zur Verfälschung von Messerergebnissen führen. Materialien mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminium oder Kupfer, erfordern spezielle Graphitbeschichtungen, um Messfehler durch Reflexion zu vermeiden. Weist die Beschichtung Unebenheiten auf, kann es zu Verfälschungen der Messergebnisse kommen. Moderne Optimierungstechniken und verbesserte Beschichtungsmethoden minimieren diese Einflüsse und ermöglichen exakte Messungen.
Fazit: Die Zukunft der Materialanalyse
Die Laser Flash-Methode ist weit mehr als nur eine Messtechnik – sie ist ein Schlüssel zu neuen, leistungsfähigeren Materialien für die nächste Generation von Raumfahrzeugen und Hochleistungsflugzeugen. Sie ermöglicht es der Ingenieurin oder dem Ingenieur, innovative Materialkombinationen zu charakterisieren, darunter Faser-Metall-Laminate mit variierenden Metallgehalten und unterschiedlichen Lagenorientierungen. Damit kann unsere Reise in den interplanetaren Raum mit neu modifizieren Materialien bald Wirklichkeit werden.
