Was ist eigentlich thermische Analyse?

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Unsere Zeit ist gekennzeichnet nicht nur durch Unterhaltungselektronik, Computer und Smartphones, wie es auf den ersten Blick scheint. Auch speziell designte Hightech-Materialien finden nach und nach fast unbemerkt Einzug in unser Leben. Sie sorgen dafür, dass die Autokarosserie formschön und beim Aufprall gleichzeitig sicher ist, dass die Motoren stärker werden und gleichzeitig weniger Sprit benötigen und dass wir es in unseren Häusern angenehm warm haben.

Abkühlkurven verschiedener Stoffe
Von Ra'ike in der Wikipedia auf Deutsch. Gemeinfrei, Wiki commons
Materialforschung führt aus der Perspektive der Öffentlichkeit fast ein Schattendasein, doch ihre Arbeit ist für die moderne Technologiegesellschaft unabdingbar. Werkstoffe, die auf den Forschungsgrundlagen der thermischen Analyse basieren (neuartige Legierungen, Polymere oder Kristalle), werden ihren Anforderungen im Hinblick auf den künftigen Einsatz angepasst. Und zwar so, dass sie bei einer bestimmten Temperatur ganz spezifische Eigenschaften aufweisen. Überall dort, wo große Anforderungen an Materialeigenschaften bestehen, ist die Materialforschung tätig: in der Luft- und Raumfahrt, im Fahrzeugbau, in der Optik, in der Entwicklung hitzebeständiger Motorteile und auch in der Ausarbeitung moderner Dämmstoffe für die Baubranche.

Wie funktioniert die thermische Analyse?

Die thermische Analyse ist eine der Hauptmethoden, die Wärmeübertragung durch molekulare Strukturen zu erforschen. Die Ausgangsdaten für die Modellierung des Verhaltens und der Eigenschaften solcher Systeme erhält man, indem die spezifische Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit gemessen werden. Dazu wird der zu untersuchende Werkstoff langsam erhitzt oder abgekühlt, wobei spezielle Detektoren die Zeit-Temperatur-Kurve aufzeichnen. Die Art der Kurve sowie eventuelle Knicke geben Aufschluss über die spezifischen Eigenschaften des geprüften Materials wieder sowie über seinen Verhalten in bestimmten Temperaturbereichen.

Die Labormessungen können entweder an der Luft oder in einer Edelgasumgebung durchgeführt werden. Möglich sind auch fluide Medien wie Wasser oder andere Flüssigkeiten.

Was ist Wärmeleitfähigkeit?

Unter der Wärmeleitfähigkeit (auch Wärmeleitzahl) versteht man in der Physik die Fähigkeit eines Materials die Wärme zu transportieren. Es handelt sich dabei um eine Materialkonstante. Die besten Wärmeleiter sind kristallisierte Stoffe wie Metalle und ihre Legierungen. Die Wärmeleitfähigkeit ist geringfügig von Temperatur und Druck abhängig und ganz erheblich vom Feuchtegehalt, sofern ein Material Wasser aufnehmen kann.

Das Wissen um die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist wichtig für verschiedene Einsatzgebiete. So werden in der Raumfahrt extrem hitzebeständige Materialien entwickelt, die eine Raumkapsel beim Eindringen in die Erdatmosphäre vor Überhitzung schützen. Die Hitzekacheln, mit denen der damalige Space Shuttle bestückt wurde, hatten eine so niedrige Wärmeleitzahl, dass man sie, bis zur Rotglut erhitzt, in die Hand nehmen konnte, ohne sich zu verbrennen.