Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
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Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE)

Thema

Eine weitere wichtige Materialeigenschaft ist der Temperaturausdehnungskoeffizient (CTE). Das von diesem Wert ausgehende Verhalten, sich bei Temperaturänderung auszudehnen, spielt eine wichtige Rolle bei der Auslegung geeigneter Materialpaarungen. Sind die Koeffizienten im Verbund sehr unterschiedlich und die Kohäsiv- und Adhäsivkräfte der Fügepartner gering, können bereits kleine Temperaturhübe zu Schäden in Form von Rissen und Delaminationen führen.

Mit der thermo-mechanischen Analyse (TMA) wird die Ausdehnung von polymeren, metallischen oder auch keramischen Materialien bei Temperaturänderung gemessen und der CTE daraus berechnet.

 

Thermo-mechanischer Analysator »TMA Q400EM« von TA Instruments.
© Fraunhofer IKTS
Thermo-mechanischer Analysator »TMA Q400EM« von TA Instruments.
Messung des CTE an Metallen oder Polymeren.
© Fraunhofer IKTS
Messung des CTE an Metallen oder Polymeren.
Messung des CTE an Kompositsystemen im Stackaufbau.
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Messung des CTE an Kompositsystemen im Stackaufbau.
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Charakterisierung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) polymerer Werkstoffe

Identifikation von Werkstoffen für den spezifischen Betriebstemperaturbereich und mit hoher Resistenz gegenüber Alterungseffekten

  • Charakterisierung der Alterungseffekte durch z. B. Temperaturwechsel, Feuchte-/Wärme-, Salznebel- oder Medienauslagerung
  • Messung der temperaturabhängigen Probenausdehnung und Berechnung des CTE
     
Bei idealen Werkstoffen befindet sich der Glasübergang typischerweise außerhalb des Betriebstemperaturbereichs.
© Fraunhofer IKTS
Bei idealen Werkstoffen befindet sich der Glasübergang außerhalb des Betriebstemperaturbereichs.
Messung der Probenausdehnung und Beispiel eines stabilisierten Werkstoffs bzw. vollständig vernetzten Polymers.
© Fraunhofer IKTS
Messung der Probenausdehnung und Beispiel eines stabilisierten Werkstoffs bzw. vollständig vernetzten Polymers.
Beispiel für hohe Nachvernetzung (i. d. R. ungünstig für Zuverlässigkeit).
© Fraunhofer IKTS
Beispiel für hohe Nachvernetzung (i. d. R. ungünstig für Zuverlässigkeit).

Charakterisierungsablauf zur Modellbildung für FEM-Simulation

  • Probenherstellung
    • Fertigung einer Negativform
    • Anmischen und Gießen der Formen
    • Abdrehen für hohe Planparallelität
  • Vermessung mittels TMA und Berechnung des CTE
  • Datenaufbereitung für FEM-Simulation
     
CTE-Messung.
© Fraunhofer IKTS
1. CTE-Messung.
Extraktion für FEM.
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2. Extraktion für FEM.
FEM-Simulation.
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3. FEM-Simulation.

Anlagenspezifikation für thermisch-mechanische Analyse (TMA)

Thermisch-Mechanische
Gerät: Q400EM von TA Instruments Kraftauflösung: 0,001 N Temperaturbereich: -80 bis 1000 °C**
Maximalkraft: 2 N Wegauflösung: < 0,5 nm Auf- und Abkühlrate 2 bis 50 K/min***
Minimalkraft: 0,001 N Frequenzbereich: 0,01 bis 2 Hz* Temperaturstabilität: 0,1 K
*für DTMA- und MTMA-Messungen; **Nutzbare Temperaturbereiche -70 bis 400 °C und 25 bis 1000 °C; ***abhängig von der Zieltemperatur.

 

Belastungsmöglichkeiten
Messung von CTE von Festkörpermaterialien und sehr weichen Materialien
Charakterisierung des Schmelzverhaltens von Beschichtungen auf deren Substraten
Charakterisierung der Verformungstemperatur steifer Materialien