Beim Laser-Flash Verfahren (LFA, Laser-Flash Apparatur) bestimmt man die Wärmeleitfähigkeit über die Temperaturausbreitung in einer Probe, die mit Hilfe eines kurzzeitigen Laser-Impuls von der einen Seite erwärmt wird. Erfahren Sie in diesem Artikel mehr über dieses absolute Messverfahren.

Dieser Artikel liefert unter anderem Antworten auf die folgenden Fragen:

  • Wie läuft das Laser-Flash Verfahren ab?
  • Für welchen Bereich der Wärmeleitfähigkeit und Temperaturbereich ist das LFA Verfahren geeignet?

Laser-Flash-Verfahren (Laser Flash Apparatus, LFA)

Das Laser-Flash-Verfahren (LFA) beruht auf der Ausbreitung der Temperatur in einer präparierten Probe, wenn diese durch einen kurzen Laserimpuls von der einen Seite erhitzt wird. Die Energie eines solchen Pulses liegt bei rund 15 J. Die hervorgerufene Temperaturerhöhung an der Probenoberfläche breitet sich dann durch die Probe aus, bis sie auf der gegenüberliegenden Seite durch ein Infrarotmessgerät detektiert wird. Die Probe kann dabei in einem Ofen auf beliebige Temperaturen erhitzt werden. Auf diese Weise kann die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Temperatur untersucht werden.

Im Gegensatz zum Guarded-Hot-Plate Verfahren oder dem Heat-Flow-Meter Verfahren beruht die Laser-Flash Methode nicht auf der Messung im stationären Zustand, sondern der instationäre Zustand der Temperaturausbreitung wird untersucht. Wie schnell sich die Temperatur in der Probe ausbreitet, hängt von der Temperaturleitfähigkeit \(a\) des Stoffes ab, die über die Dichte \(\rho\) und die spezifische Wärmekapazität \(c_p\) wiederum direkt mit der Wärmeleitfähigkeit \(\lambda\) verknüpft ist:

\begin{align}
\label{d}
& \boxed{\lambda = a \cdot \rho \cdot c_p} \\[5px]
\end{align}

Die untere Abbildung zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf der Temperatur auf der Laser-abgewandten Probenseite. Aus diesem Diagramm wird zunächst die Temperaturleitfähigkeit mit nachfolgend angegebener Formel ermittelt. Dabei entspricht \(\Delta x\) der Probendicke und \(t\) dem Zeitpunkt bei dem die Oberseite gerade die Hälfte des maximalen Temperaturanstiegs \(\Delta T\) erreicht hat. Die Prob selbst ist meist nur wenige Millimeter Dick und die eigentliche Messung in bereits wenigen Millisekunden erledigt.

\begin{align}
& \boxed{a = 0,1388 \cdot \frac{\Delta x^2}{t^*}} \\[5px]
\end{align}

Sind Dichte und Wärmekapazität der Probe bekannt, dann kann die Wärmeleitfähigkeit schließlich mit Gleichung (\ref{d}) bestimmt werden.

Der Anwendungsbereich des Laser-Flash-Verfahrens ist gegenüber den anderen Verfahren recht groß. Wärmeleitfähigkeiten im Bereich zwischen 0,1 W/(mK) bis über 1000 W/(mK) können bei Temperaturen zwischen -150 °C bis über 2500 °C bestimmt werden. Auch die Wärmeleitfähigkeiten von Flüssigkeiten lassen sich mit dem Laser-Flash-Verfahren untersuchen. Dieses Verfahren gewinnt in der Industrie zunehmend an Bedeutung.