SHIEL3D: ein Werkzeug zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit

Was ist SHIEL3D?

  • SHIEL3D ist ein Charakterisierungsgerät zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturleitfähigkeit von Wärmedämmungen.
  • Das Heizelement ist ein sehr dünner Draht (50μm Durchmesser), der zwischen zwei Materialstücken eingebettet ist.
  • Das Material wird thermisch stimuliert, und die Reaktion auf die Stimulation wird durch winzige Schwankungen im Widerstand des Drahtes untersucht, um die thermischen Eigenschaften zu ermitteln.
  • Wärmeleitfähigkeit messbar im Bereich
    1-2000 mW/m-K und -250°C bis 1000°C!
  • Technologie entwickelt unter zwei große Raumfahrtprojekte:
    • AerSUS (FP7 der EU, 2012-14)
    • 3-Omega B (ITI von ESA, 2015-17)
SHIEL3D_Messgerät_Instrument

Heizplattenverfahren vs. SHIEL3D

Warum scheitern traditionelle Heizplattenmethoden?

  • Bei der Heizplattenmethode wandert die Wärme durch die Probe und wird auf der anderen Seite als Delta-Temperatur gemessen.
  • Bei Materialien mit hoher Leitfähigkeit ist dies in Ordnung, aber bei stark isolierenden Materialien bedeutet dies, dass sehr wenig Wärme durchkommt, was zu einem schwachen Signal führt.
  • Wenn die resultierende Delta-Temperatur dann ähnlich groß ist wie der Fehler in der Temperaturmessung, kann dies zu einer 100%igen Unsicherheit des Messergebnisses führen.
  • Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die Hitze auf der Heizplatte deutlich zu erhöhen, was zu einem höheren Delta T über der Probe und einem größeren Signal führt, das auf der anderen Seite gemessen wird.
  • Dies erfordert jedoch viel längere Zeiten, um einen stabilen Zustand zu erreichen (höhere Kosten), und kann zu erheblicher Konvektion und Strahlung führen, wobei der Wärmeverlust ähnlich hoch sein kann wie die geleitete Wärme, was wiederum zu größeren Messfehlern führt.

SHIEL3D: Besser für gute Wärmedämmungen

SHIEL3D basiert auf der 3-Omega-Methode. 

  • Hier wird ein Heizdraht anstelle einer Heizfläche verwendet und der Heizdraht dient gleichzeitig als Temperatursensor.  
  • Gemessen wird die Wärmemenge, die von der Probe zurück zum Heizdraht reflektiert wird. Daher erhöht sich bei hochisolierenden Materialien das Messsignal und die Messung wird genauer. 
  • Da der Heizdraht in die Probe eingebettet ist, sind Wärmeverluste und damit verbundene Messfehler durch Wärmeverluste vernachlässigbar.
3-Omega-Verfahren