Saint-Gobain nutzt zwei Standardverfahren zur Messung der Wärmeleitfähigkeit bzw. des Wärmewiderstands.
ASTM E1530
Beim ersten Verfahren handelt es sich um die Messung mit dem Wärmestrommessplatten-Gerät gemäß ASTM E1530 (Diagramm 3), das meist für Proben einer Stärke zwischen 0,5 und 25 mm genutzt wird. Bei diesem Verfahren wird über pneumatische Zylinder, die einen Prüfdruck zwischen 0 psi (Berührung) und 300 psi (2068 kPa) bereitstellen können, ein gleichmäßiger und reproduzierbarer Druck auf die Probe ausgeübt. Die Probe ist dabei zwischen zwei polierten Metallplatten angeordnet, wobei die obere Platte erwärmt und die untere Platte gekühlt wird, so dass im Testaufbau ein Temperaturgefälle entsteht. Die untere Platte ist zudem wie in Diagramm 3 gezeigt an einen kalibrierten Wärmeflussmesser (HFT) angeschlossen. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch Messen des Wärmewiderstands der Probe und Einsetzen des Messergebnisses des Wärmeflussmessers in folgende Gleichung ermittelt werden:
R = [(TU -TM)/Q] – Rint, wobei:
R — Wärmewiderstand
TU —Oberflächentemperatur der oberen Platte
TM — Oberflächentemperatur der unteren Platte
Q — Wärmefluss durch die Probe
Rint — Gesamtwiderstand der Kontaktfläche zwischen Probe und Platten
Q = N(TM-TL), wobei:
N — Wärmedurchgangskoeffizient
TM — Oberflächentemperatur der unteren Platte
TL — Temperatur des unteren Heizers und schließlich,
R=d/C, wobei:
d — Probendicke
C — Wärmeleitfähigkeit
ASTM D5470
Beim zweiten Verfahren handelt es sich um die Messung der Wärmeleitfähigkeit dünner, wärmeleitfähiger und elektrisch isolierender Materialien nach ASTM D5470, das bei Proben einer Stärke zwischen 0,02 und 10 mm genutzt wird. Bei diesem Verfahren wird über pneumatische Zylinder, die einen Prüfdruck zwischen 0 psi (Berührung) und 500 psi (3447 kPa) bereitstellen können, ein gleichmäßiger und reproduzierbarer Druck auf die Probe ausgeübt. Die Probe ist dabei zwischen zwei polierten Metallplatten angeordnet, wobei die untere Platte erwärmt und die obere Platte gekühlt wird, so dass ein Temperaturgefälle im Testaufbau entsteht, das wie in Diagramm 4 gezeigt mit 4 Temperaturfühlern gemessen wird. Die thermische Impedanz kann durch Messen des Wärmewiderstands der Probe gemäß folgender allgemeiner Gleichungen ermittelt werden:
Q = V x I, wobei:
Q — Wärmefluss (W)
V — am Heizer anliegende elektrische Spannung (V)
I — am Heizer anliegender elektrischer Strom (A)
Temperatur des oberen Messblocks, definiert als:
TA = T2 – (dB/dA)(T1-T2), wobei:
TA — Temperatur der Oberfläche des oberen Messblocks, die mit der Probe in Berührung steht (K)
T1— Obere Temperatur des oberen Messblocks (K)
T2— Untere Temperatur des oberen Messblocks (K)
dA — Abstand zwischen den Temperaturfühlern (m)
dB — Abstand vom unteren Temperaturfühler zur unteren Oberfläche des oberen Messblocks (m),
Temperatur des unteren Messblocks, definiert als:
TD = T3 – (dD/dC)(T3–T4), wobei:
TD — Temperatur der Oberfläche des unteren Messblocks, die mit der Probe in Berührung steht (K)
T3— Obere Temperatur des unteren Messblocks (K)
T4 — Untere Temperatur des unteren Messblocks (K)
dC — Abstand zwischen den Temperaturfühlern (m)
dD — Abstand vom oberen Temperaturfühler zur oberen Oberfläche des unteren Messblocks (m)
Die thermische Impedanz wird mit folgender Gleichung berechnet:
Θ = (TA - TD) x A/Q
Um die Wärmeleitfähigkeit abzulesen zu können, wird ein Diagramm der thermischen Impedanz (Y-Achse) für verschiedene Probendicken erstellt. Die Geradensteigung entspricht dem Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit. Der Y-Wert gibt den Wärmewiderstand des Wärmeleitmaterials wieder, der vom Anpressdruck und der Fläche abhängig ist.