Thermische Analyse und Thermophysik

Thermische Prozesse haben einen signifikanten Einfluss auf die Eigenschaften von Werkstoffen, Halbzeugen und Bauteilen. Für ein tieferes Verständnis dieser komplexen Wechselwirkungen in Abhängigkeit von Temperatur, Zeit und Gasatmosphäre ist neben einem langjährigen Know-how eine umfassende technische Ausstattung entscheidend.

© Fraunhofer IKTS
Übersicht über die thermoanalytische Infrastruktur am Fraunhofer IKTS.
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Auswahl an STA-Tiegeln für die Thermoanalyse.
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Erhitzungsmikroskop/optisches Dilatometer für die 3D-Analyse von Sinterprozessen.

Das Fraunhofer IKTS ist ein Partner mit akkreditierten Methoden für die Untersuchung, Modellierung, Simulation und Optimierung thermischer Prozesse. Werkzeuge und Basis dafür sind eine Vielzahl thermoanalytischer und thermophysikalischer Methoden und Geräte, die einzeln, im Komplex oder in direkter Kopplung miteinander eingesetzt werden. Thermodynamische Berechnungen von Phasengleichgewichten werden für Vorhersagen von Phasenbildungen bzw. Phasenumwandlungen und von Wechselwirkungen zwischen Werkstoff bzw. Bauteil und Ofenatmosphäre angewendet. Im Ergebnis können Prozesse hinsichtlich Energie- und Kosteneffizienz und Werkstoffe hinsichtlich ihrer Eigenschaften analysiert und optimiert werden. Dabei reicht das Know-how weit über keramische und pulvermetallurgische Materialien und Prozesse hinaus.
Im Blickpunkt stehen z. B. Fragestellungen zu Polymeren, Gläsern, Metallen, Legierungen, Biomaterialien sowie Schaum- bzw. Verbundwerkstoffen. Schwerpunkte bilden keramische Werkstoffe, Hartstoffe (z. B. Boride), Hartmetalle und Cermets.


Methoden
 

  • Thermogravimetrie TG (Masseänderungen)
  • Emissionsgasthermoanalyse EGA mit Massenspektrometrie MS und FTIR-Spektrometrie (Gasanalyse)
  • Thermomechanische Analyse TMA, Thermodilatometrie TD, Erhitzungsmikroskopie EHM, optische Thermodilatometrie (Längen- oder Formänderungen, Benetzungsverhalten, thermischer Ausdehnungskoeffizient)
  • Differenz-Scanning-Kalorimetrie DSC, Differenzthermoanalyse DTA (kalorische Effekte, Wärmekapazität)
  • Laser-Flash-Analyse LFA (Temperaturleitfähigkeit)
  • Berechnung der Wärmeleitfähigkeit aus Dichte, Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit
  • Vergleichsverfahren zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit
  • Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie HT-XRD (Phasenumwandlungen)
  • Thermokonduktometrie (elektr. Widerstandsmessungen)
  • Kinetische Analyse, Modellierung und Simulation (Master Curve, Kinetic Field, Netzsch Thermokinetics)
  • Thermodynamische Berechnungen mittels FactSage

Leistungsangebot

  • Komplexe Charakterisierung des thermischen Verhaltens von Materialien (-150 bis 2400 °C) in oxidierenden, inerten oder reduzierenden Gasatmosphären (auch toxische, korrosive oder explosionsgefährdete Gase und Gasmischungen)
  • Optimierung von unter Laborbedingungen experimentell nachgestellten technischen Prozessen (Bestimmung der für die Produktqualität kritischen Temperaturbereiche, Vermeidung von Defekten etc.)
  • Kinetische Analyse, Modellierung und Simulation von Eigenschaftsänderungen (auch in-situ an realen Bauteilgeometrien) z. B. zur Aufklärung von Reaktionen, der Einflüsse von Prozess- und Werkstoffparametern sowie zur Ableitung bzw. Berechnung der optimalen Prozessführung
  • Ableitung von Strategien zum optimalen Ausgasen sowie Sintern und zur Einstellung lokaler Eigenschaftsgradienten
  • Bestimmung thermodynamischer und thermophysikalischer Zustandsgrößen bzw. Eigenschaften (Schmelz-, Erstarrungs- und Kristallisationsparameter, Stabilitäten, Enthalpien, Wärmetönungen, Wärmekapazitäten, thermische Ausdehnungskoeffizienten, Dichten, Temperatur-, Wärme- und elektrische Leitfähigkeiten bzw. Widerstände, Benetzungsparameter etc.)
  • Bereitstellung thermophysikalischer Datensätze für Finite-Elemente-Modellierungen FEM und Simulationsberechnungen
  • Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften für Datenblätter
  • Entwicklung von Datensätzen zur thermodynamischen Beschreibung von Materialien
  • Thermodynamische Berechnung von Phasengleichgewichten und Ableitung von Schlussfolgerungen für die Herstellungstechnologie und die Werkstoffoptimierung
  • Thermodynamische Abschätzung der Wirkung von Grenzflächenreaktionen und Korrosionseffekten unter unterschiedlichen Beanspruchungsbedingungen

Technische Ausstattung

Akkreditierte Messplätze

  • Simultan-Thermoanalysatoren (STA 449F1, 429, 429C, 409); teilweise gekoppelt (Kapillare, Blenden oder Skimmer) mit
    • Massenspektrometern (QMS403C, QMG420, 421, 422)
    • FTIR-Spektroskop (Tensor27)
  • Makrothermowaage (MTG419/NGB)
  • Thermomechanische Analysatoren (TMA 402)
  • Thermodilatometer (DIL402 und DILE7)
  • Dynamische Differenzkalorimeter (Differential-Scanning-Calorimeter DSC 404, 404C und DSC7)
  • Laser-Flash-Analysator (LFA427)
  • Light-Flash-Analysator (Nano-Flash) (LFA447)
  • Wärmeleitfähigkeitstester (TCT416)
  • An allen Anlagen automatisiertes Laborgasversorgungssystem für Mischen und Dotieren von hochreinen Atmosphären, Druckbereich von Hochvakuum bis Normaldruck sowie Möglichkeit zur Gasanalyse mit transportablem Massenspektrometer

Nicht akkreditierte Messplätze

  • Erhitzungsmikroskope und optisches Dilatometer (Besonderheit: hochreine Atmosphären)
  • In-situ-Widerstands-Analysator RIS
  • In-situ-Hochtemperatur-Röntgendiffraktometer

Besonderheiten

  • Komplexe Thermoanalyse/komplexe thermophysikalische Analyse
  • Hochreine, korrosive und explosionsgefährdete Atmosphären
  • Extreme Temperaturen von -180 bis 2400 °C
  • Materialanalysen (wenige mg/wenige mm3) bis Bauteilanalysen (bis 500 g/bis 250 cm3)
  • Kopplung thermoanalytischer Experimente und thermodynamischer Modellierung
  • Kinetische Analyse, Modellierung und Simulation