Temperaturleitfähigkeit von Metallen in Abhängigkeit von der Korngröße

Einleitung

Neben der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit λ ist die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit a eine wichtige thermophysikalische Größe. Im Gegensatz zur WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit, die den stationären Wärmetransport beschreibt, ist die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit α eine Messgröße für den instationären Wärmetransport eines Materials. Um die Wärmeleitfähigkeit zu berechnen, ist neben der Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität c_p und der DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte ρ auch die Temperaturleitfähigkeit nötig:

λ = α·c_p·ρ

Die Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität ist nur von der chemischen Zusammensetzung abhängig. Die DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte hängt von der makroskopischen Struktur eines Materials ab (z.B. Poren). Die Temperaturleitfähigkeit hängt von der Makro-, aber auch teilweise von der Mikrostruktur einer Probe ab. 

Im Folgenden wird die Temperaturleitfähigkeit einer Kupferprobe in Abhängigkeit der Korngröße gezeigt. Dabei gilt in der Regel, je kleiner die Korngröße (= je mehr Korngrenzen), desto geringer ist die Temperaturleitfähigkeit.

Das Gefüge einer über additive Fertigung hergestellte Kupferprobe besitzt aufgrund des relativ kurzen Erhitzens und einer schnellen Abkühlung viele kleine Körner und damit viele Korngrenzen. Das Tempern der Probe (1h bei 1000 °C) ergibt ein Gefüge mit deutlich größeren Körnern und damit weniger Korngrenzen. Ein Vergleich der Gefüge ist in Abbildung 1 dargestellt.

Messbedingungen

Die Messung der Temperaturleitfähigkeit bei Raumtemperatur beider Kupferproben wurde mittels LFA 467 HyperFlash^® durchgeführt. Die LFA Proben hatten einen Durchmesser von 12,7 mm und eine Dicke von 3 mm. Die Proben wurden vor der Messung leicht, aber nicht deckend mit Grafit beschichtet, um die Emissions- und Absorptionseigenschaften der Kupferproben zu verbessern.

Messergebnisse

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die getemperte Probe zeigt mit 116,88 mm²/s nahezu den Literaturwert von reinem Kupfer mit 117 mm²/s [1]. Die Kupferprobe direkt nach der additiven Fertigung mit kleinkörnigerem Gefüge weist mit 108,97 mm²/s eine signifikant niedrigere Temperaturleitfähigkeit auf.

Fazit

Die LFA ist eine kontaktlose Messmethode, die auch kleine Unterschiede, z.B. verursacht durch eine Änderung in der Mikrostruktur, ohne den störenden Einfluss von Kontaktwiderständen zuverlässig auflösen kann.

Danksagung

Wir danken der Infinite Flex GmbH für die addivite Herstellung und das Tempern der Kupferproben sowie der Universtiät Bayreuth, Lehrstuhl Metalle, für die Bereitstellung der Gefügebilder.

Temperaturleitfähigkeit von Reinstkupfer mit unterschiedlichem Gefüge bei Raumtemperatur

Tabelle 1: Temperaturleitfähigkeit von Reinstkupfer mit unterschiedlichem Gefüge bei Raumtemperatur