Die genaue Kenntnis thermophysikalischer Materialeigenschaften wie der spezifischen Wärmekapazität, der Temperaturleitfähigkeit und des spektralen Emissionsgrades sind von entscheidender Bedeutung für den sicheren, vorhersehbar reproduzierbaren und effizienten Betrieb von Hochtemperaturanwendungen, sowie der Prozesskontrolle in der Produktion von Werkstücken. Auch thermische Simulationen, z.B. additiver Fertigungstechniken, hängen in Bezug auf diese Materialparameter entscheidend von deren Datenqualität ab.

Das kürzlich erfolgreich beendete Joint Research Project Hi-Trace („Industrial Process Optimisation Through Improved Metrology of Thermophysical Properties” mit Partnern aus AT, D, F, SRB und UK) hatte den Aufbau von metrologischer Infrastruktur zur Messung thermophysikalischer Materialparameter im Temperaturbereich zwischen 1500 °C und bis zu 3000 °C zum Ziel. Im internationalen Vergleich wurden unter anderem geeignete Referenzmaterialien identifiziert und die spezifische Wärmekapazität, die Temperaturleitfähigkeit und der spektraler Emissionsgrad mit geringen Unsicherheiten gemessen.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) nutzt eine modifizierte Laser-Flash-Apparatur zur Bestimmung des spektralen Emissionsgrades von 750 °C bis 2000 °C. Die Probe wird hierbei induktiv auf die gewünschte Temperatur geheizt und anschließend durch einen kurzen, hochenergetischen Laserpuls weiter erhitzt. Durch die Bestimmung der absoluten Laserenergie an der Probenposition und des daraus resultierenden Temperaturhubes kann der spektrale Emissionsgrad bei der Laserwellenlänge berechnet und mit Hilfe eines Array-Spektrometers auf den Spektralbereich von 500 nm – 1100 nm erweitert werden. Werden die Proben mit einer Graphitschicht überzogen, deren Emissionsgrad bekannt ist, kann ebenfalls die spezifische Wärmekapazität bestimmt werden.

Es werden die Messmöglichkeit der PTB im Detail erläutert, sowie Ergebnisse aus dem Hi-Trace Projekt (www.hi-trace.eu) und weitere metrologische Messmöglichkeiten vorgestellt.

Dieses Projekt (17IND11) Hi-Trace erhielt Finanzierung durch das EMPIR Programm, welches durch dessen Mitgliedsstaaten und das Horizon 2020 Wissenschafts- und Innovationsprogramm der Europäischen Union kofinanziert wurde.