DE69029076T2

DE69029076T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des thermischen Diffusionsvermögens mittels AC-Joulescher Heizung

Info

Publication number: DE69029076T2
Application number: DE69029076T
Authority: DE
Inventors: Toshimasa Hashimoto; Teruo Hyugaji; Akira Miyamoto; Kohei Shizuka
Original assignee: Mitsui Toatsu Chemicals Inc
Current assignee: Ai-Phase Co ltd Tokio/tokyo Jp
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1990-08-29
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2010-08-30
Also published as: EP0419873B1; EP0419873A2; US5080495A; DE69029076D1; EP0419873A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des thermischen Diffusionsvermögens (oder Temperaturleitzahl) von Materialien, eine dazu verwendete Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Wärmeleitzahl. Insbesondere betrifft sie ein Meßverfahren und eine Meßvorrichtung in Abhängigkeit vom Prinzip des nichtstationären Zustands (in dem die Temperatur nicht konstant gehalten wird und sich daher ändern kann) für genaue Messungen der Temperaturleitzahl von schwer leitfähigen Materialien, z. B. von hochmolekularen Verbindungen (Polymeren) und Keramik, sowie ein Verfahren zur Messung ihrer Wärmeleitzahl durch die Verwendung des Meßwerts der Temperaturleitzahl, der gemäß dem Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl gewonnen wird.
Temperaturleitzahl und Wärmeleitzahl gehören zu wichtigen Eigenschaften zum Bestimmen der Verarbeitungs- und Verwendungsbedingungen vielfältiger Materialien, zu denen hochmolekulare Verbindungen gehören, während des Materialund Produktentwurfs. In letzter Zeit wurde im Einklang mit dem aufkommenden Computereinsatz eine Reihe verschiedener Simulationsprogramme entwickelt, und mit Hilfe von diesen wurden Materialien und Produkte in der Praxis häufig entworfen. Breite Anwendung fanden bereits z. B. die statische Analyse zum Analysieren der Beanspruchungen oder Verformungen verarbeiteter Produkte oder Strukturen sowie die Wärmeleitungsanalyse zum Analysieren von Wärmeübergangserscheinungen. In letzter Zeit wurde in vielen Fällen die Wärmeflußanalyse zum Analysieren des Verhaltens von Harzen in einer Form beim Spritzgießen genutzt. Die analytische Genauigkeit dieser Simulationsprogramme hängt weitgehend von der Genauigkeit der in den Analysen verwendeten physikalischen Eigenschaftswerte ab, ganz zu schweigen vom Inhalt der Programme. Um folglich ihre analytische Genauigkeit zu verbessern und Materialien und Produkte präzise zu entwerfen, sind Messungen der physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Materials mit hoher Genauigkeit wünschenswert.
In der Praxis werden verarbeitete Produkte häufig nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei hohen Temperaturen verwendet. In der Verarbeitung werden die meisten hochmolekularen Materialien einem Formgebungsverfahren unterzogen, bei dem sie bei hohen Temperaturen geschmolzen und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Beim Material- und Produktentwurf unter Berücksichtigung der tatsächlichen Verwendungs- und Verarbeitungsbedingungen eines Produkts oder beim Analysieren auf der Grundlage tatsächlicher Erscheinungen müssen daher seine physikalischen Eigenschaften in einem breiten Temperaturbereich von der Raumtemperatur bis zur Schmelztemperatur oder darüber bekannt sein.
In jüngster Zeit werden Verarbeitungsmaterialien häufig in Verbundform verwendet, so daß ihre Kombinationen mannigfaltig und kompliziert wurden. Beim Messen von physikalischen Eigenschaften für Materialentwicklung und -entwurf eines solchen speziellen Verarbeitungsmaterials war es oft schwierig, eine große Probenmenge davon zu erhalten. Außerdem wurde es erforderlich, seine physikalischen Eigenschaften möglichst schnell zu ermitteln und die Ergebnisse ohne Verzögerung in den Entwurf und die Entwicklung eines daraus hergestellten Produkts einfließen zu lassen. Daraus ergab sich die Forderung nach einer schnellen Messung der physikalischen Eigenschaften mit einer kleinen Probenmenge.
Das Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl läßt sich grob in das Prinzip des stationären Zustands und das Prinzip des nichtstationären Zustands einteilen. Das Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach dem Prinzip des nichtstationären Zustands ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturleitzahl bestimmt wird, indem zwangsweise ein thermischer Ungleichgewichtszustand in einer Probe erzeugt und die Temperaturänderung der Probe gemessen wird, die durch die nachfolgende Relaxation des Zustands bewirkt wird. Folglich besteht ein Vorteil des Prinzips gegenüber dem Prinzip des stationären Zustands darin, daß die Meßzeit wesentlich verkürzt wird.
Zu typischen Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach dem herkömmlichen Prinzip des nichtstationären Zustands gehören das Verfahren nach Ångström, das Blitzverfahren und das PAS-Verfahren.
Das Ångström-Verfahren berechnet die Temperaturleitzahl auffolgende Weise: Ein Abschnitt einer Stabprobe mit ausreichend kleiner Querschnittfläche gegenüber der Länge wird mit einer Wärmequelle in Berührung gebracht, die eine periodische Erwärmung und Abkühlung bewirkt, wodurch eine periodische Temperaturänderung am Ende der Probe erzeugt und folglich eine Temperaturwelle in der Probe bewirkt wird. Der Ausbreitungszustand der Temperaturwelle in der Probe wird durch Messung der Temperatur an mindestens zwei Meßpunkten beobachtet, die sich im Abstand vom Erwärmungspunkt in der Ausbreitungsrichtung der Welle unterscheiden. Anhand der Amplitude und Phase der an jedem Meßpunkt gewonnen Temperaturwelle wird die Temperaturleitzahl berechnet.
Das Blitzverfahren mißt die Temperaturleitzahl auffolgende Weise: Eine der Oberflächen einer Plattenprobe ist mit einer Lichtabsorptionsschicht versehen, die z. B. mit einem Laserimpuls bestrahlt wird, um eine sofortige Erwärmung durch Lichtabsorption zu bewirken. Der dadurch an der Absorptionsschicht verursachte Temperaturanstieg breitet sich in die Dickenrichtung der Probe aus, so daß eine Temperaturänderung an der Oberfläche der Probe erzeugt wird, die der bestrahlten Oberfläche gegenüberliegt. Die Temperaturänderung wird als Funktion der Zeit nach der Blitzbestrahlung gemessen. Anhand der so gewonnenen Temperatur-Zeit-Kurve wird die Temperatur leitzahl bestimmt.
Das PAS-Verfahren bestimmt die Temperaturleitzahl auf folgende Weise: Eine geschlossene Zelle mit einem Fenster zum Durchlassen von Licht ist mit einem Mikrofon usw. zur Messung eines Schallsignals versehen. Eine Plattenprobe in der Zelle ist auf einer Oberfläche mit einer Lichtabsorptionsschicht versehen. Durch das Fenster wird die Schicht mit einem modulierten Lichtstrahl bestrahlt, um eine periodische Temperaturänderung zu erzeugen. Diese Temperaturwelle breitet sich aus und verursacht eine periodische Temperaturänderung auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Probe. Anschließend wird die Änderung einer dadurch in der Zelle erzeugten periodischen Schallwelle gemessen. Anhand der Phase und Amplitude der Welle wird die Temperaturleitzahl bestimmt.
Die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Meßverfahren bringen die folgenden Probleme mit sich:
Da beim Ångström-Verfahren die Probe zu einem langen Stab erschmolzen werden muß, ist eine große Probenmaterialmenge erforderlich, und die Installation seines adiabatischen Systems wird groß, um den Wärmeverlust von der Probenoberfläche zu minimieren. Ferner benötigt die Messung eine relativ lange Zeit&sub1; wodurch die Meßobjekte auf Materialien mit relativ großer Temperaturleitzahl beschränkt sind.
Da das Blitzverfahren eine Erwärmung durch Lichtabsorption bewirkt, muß bei der Messung einer durchsichtigen Probe oder einer Probe mit geringer Lichtabsorption eine Absorptionsschicht zur Lichtabsorption auf die Oberfläche der Probe aufgetragen werden. Dies führt häufig zu Wärmeverlust oder unregelmäßiger Erwärmung an der Grenzfläche zwischen der Absorptionsschicht und der Probe, die für Fehler verantwortlich sind. Ferner erfolgt die Messung unter der Annahme, daß aufgrund der kurzen Zeit Wärmeverlust nicht berücksichtigt zu werden braucht. Dieser Annahme entsprechen solche Materialien mit großer Temperaturleitzahl, z. B. Metalle. Bei Materialien mit kleinerer Temperaturleitzahl, z. B. hochmolekularen Verbindungen, treten jedoch große Fehler auf.
Beim PAS-Verfahren treten die gleichen Probleme wie beim Blitzverfahren infolge der Erwärmung durch Lichtabsorption auf. Da ferner dieses Verfahren ein schallsignal mittels eines Schallsignaldetektors mißt, wird es stark durch Geräusche beeinträchtigt, die durch Schwingung, Schall usw. bewirkt werden.
Außerdem haben diese Messungen Schwierigkeiten, die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitzahl zu messen. In der Praxis erfordert diese Messung eine sorgfältig vorbereitete Vorrichtung.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorgenannten Probleme zu lösen und ein Verfahren zur genauen und schnellen Messung der Temperaturleitzahl mit Temperaturabhängigkeit auch bei Materialien mit kleiner Temperaturleitzahl und bei Proben in Spurenmengen sowie eine kleine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorzusehen. Die Wärmeleitzahl kann anhand des Meßwerts der Temperaturleitzahl bestimmt werden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst.
Im folgenden wird die Erfindung nunmehr näher beschrieben.
Die in der Erfindung zu messende Probe (nachstehend als Meßprobe bezeichnet) besteht aus schwer leitfähigen Materialien, die zu Dünnfilmen, Bahnen oder Platten geformt sein können. Dazu gehören z. B.:
I. hochmolekulare Verbindungen (Polymere) wie Phenol, Harnstoff, Melamin, Polyester, Epoxidharz, Polyurethan, Cellulose, Polystyren, Polypropylen, Polyethylen, Vinylidenchlorid, Polyamid, Polyacetal, Polycarbonat, Polysulfon, ABS, Polyphenylenoxid, Polyethersulfon, Polyallylat, Acryl, Acrylonitril, Polyetheretherketon, Polyetherketon, Polyimid und Polyolefin,
II. organische Farbstoffe wie Cyanin, Phthalocyanin, Naphthalocyanin, Nickelkomplex, Spiroverbindungen, Ferrocen, Fulgid, Imidazol, Perillen, Phenazin, Phenothiazin, Polyen, Azoverbindungen, Chinon, Indigo, Diphenylmethan Triphenylmethan, Polymethin, Acridin, Acridinon, Carbostyril, Cumarin, Diphenylamin, Chinacridon, Chinophthalon, Phenoxazin und Phthaloperinon,
III. mineralische Erze wie Siliciumoxid, Diamant, Granat Korund, Rubin, Saphir, Achat, Zeolith, Diatomeenerde, Glimmer, Steinsalz, Apatit, Kaolin, Sillimanit, Andalusit, Cyanit, Dolomit, Mondstein, Marmor, Serpentin, Malachit, Bauxit, Bentonit, Quarz, Olivin, Gips, Schwefel, Barit, Alunit, Fluorit, Feldspat, Talk, Asbest, Kalkstein, Calcit, Kristall, Bernstein, Spinell, Alexandrit, Smaragd, Topas, Katzenauge, Jade und Opal,
IV. Gläser wie Quarzglas, Fluoridglas, Natronglas, Natronkalkglas, Barium-Strontium-Glass, Bleiglas, Aluminoborosilikatglas, Borosilikatglas, Aluminosilikatglas und Kieselglas und
V. Feinkeramik wie Al&sub2;O&sub3;, MgAl&sub2;O&sub4;, BeO, SiC, AIN, MgO, PLZT, Y&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, TiO&sub2;, CaF&sub2;, GaAs, PbO, CaO, La&sub2;O&sub3;, Si&sub3;N&sub4;, a-Si:H usw.
Die Dicke ist so dünn, daß die thermische Diffusion in Oberflächenrichtung vernachlassigt werden kann und daher als vollständig adiabatisch in Oberflächenrichtung betrachtet wird.
Die als die Wechselstromheizung (elektrisch leitfähige Dünnschicht) zu verwendenden leitfähigen Materialien erzeugen Joulesche Wärme durch Durchleiten eines Stroms. Zu ihnen können z. B. Gold, Silber, Platin, Kupfer, Eisen, Zink, Antimon, Iridium, Chromel, Konstantan, Nichrom, Aluminium, Chrom, Nikkel und Kohlenstoff gehören.
Die als das (später diskutierte) Widerstandsthermometer zu verwendenden leitfähigen Materialien sind solche, deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Dazu können z. B. Gold, Silber, Platin, Kupfer, Eisen, Zink, Antimon, Iridium, Chromel, Konstantan, Nichrom, Aluminium, Chrom, Nickel und Kohlenstoff gehören.
Die als die Wechselstromheizung und das Widerstandsthermometer zu verwendenden leitfähigen Dünnschichten sollten eine ausreichend dünne Dicke und eine ausreichend kleine Wärmekapazität im Vergleich zur Probenplatte in einem solchen Grad haben, daß ihre Berührungsflächen mit der Probenplatte vernachlässigt werden können.
Die als die Wechselstromheizung und das Widerstandsthermometer verwendeten leitfähigen Dünnschichten werden auf der Probenplatte enganliegend ausgebildet durch:
I. Sputtern, wodurch eine Dünnschicht dadurch ausgebildet wird, daß die Probenplatte Atome an ihrer Oberfläche adsorbieren kann, wobei das Phänomen genutzt wird, daß eine Ionenbestrahlung der Oberfläche eines Feststoffs die Atome des Feststoffs freisetzt,
II. Aufdampfen, wodurch eine Dünnschicht dadurch ausgebildet wird, daß die Probenplatte den Dampf einer Substanz an ihrer Oberfläche im Vakuum adsorbieren kann,
III. Beschichten, wodurch die Oberfläche der Probenplatte mit einem flüssigen oder halbflüssigen Material beschichtet wird,
IV. Kleben, wodurch die Oberflächen mit Hilfe eines Klebstoffs zusammengeklebt werden, der das gleiche oder ein anderes Material aufweist, oder
V. Auftragen unter Druck, wodurch die Oberflächen durch Einwirken von Druck ohne Verwendung eines Klebstoffs mit dem gleichen oder einem anderen Material zusammengeklebt werden.
Davon sind Sputtern oder Aufdampfen am stärksten bevorzugt.
Wird z. B. Gold zum Ausbilden einer leitfähigen Dünnschicht auf einer Probenplatte durch Sputtern verwendet, ist bevorzugt, die Probenplatte zunächst mit einem Polyesterfilm usw. abzudecken und sie anschließend etwa 30 Minuten Gold im Vakuum unter Verwendung einer Spannung und eines Stroms von etwa 1,2 kV bzw. 3,5 mA adsorbieren (ablagern) zu lassen, um eine leitfähige Dünnschicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 5000 Ångström und mit einem Widerstand von etwa 0,1 Ω bis 10 kΩ auszubilden.
Wird z. B. Gold zum Ausbilden der leitfähigen Dünnschicht auf einer Probenplatte durch Aufdampfen verwendet, ist bevorzugt, die Probenplatte zunächst mit einem Polyesterfilm usw. abzudecken und sie anschließend 30 Minuten Gold durch Verdampfen von Gold unter elektrischer Erwärmung im Vakuum auf seine Schmelztemperatur oder darüber adsorbieren (ablagern) zu lassen, um eine leitfähige Dünnschicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 5000 Ångström und mit einem Widerstand von etwa 0,1 Ω bis 10 kΩ auszubilden.
Bei Ausbildung einer Probenplatte und einer leitfähigen Dünnschicht durch Beschichten wird die Probenplatte vorzugsweise mit einer leitfähigen Paste beschichtet, um eine Schicht mit einer Dicke von etwa 10 bis 5000 Ångström und mit einem Widerstand von etwa 0,1 Ω bis 10 kΩ auszubilden.
Beim Zusammenfügen einer Meßprobenplatte und eines leitfähigen Dünnfilms durch Kleben ist bevorzugt, zunächst einen leitfähigen Dünnfilm, z. B. Blattkupfer oder Blattgold usw., mit einer Dicke von etwa 10 bis 5000 Ångström und mit einem Widerstand von etwa 0,1 Q bis 10 kΩ mit einem Klebstoff so dünn zu beschichten, daß die Berührungsfläche zwischen dem leitfähigen Dünnfilm und der Probenplatte vernachlässigt werden kann, und anschließend den Film mit Klebstoff an der Probenplatte vollständig so haften zu lassen, daß sie sich nicht voneinander ablösen.
Werden eine Probenplatte und ein leitfähiger Dünnfilm durch Druckausübung miteinander verbunden, ist bevorzugt, einen leitfähigen Dünnfilm, z. B. Blattkupfer oder Blattgold, mit einer Dicke von etwa 10 bis 5000 Ångström und mit einem Widerstand von etwa 0,1 Ω bis 10 kΩ auf die Probenplatte mit einer Kraft zu drücken, die höher als der Druck ist, unter dem der Effekt der Berührungsfläche zwischen dem leitfähigen Dünnfilm und der Probenplatte vernachlässigt werden kann, um sie vollständig aneinander haften zu lassen.
Im folgenden werden der grundsätzliche Aufbau der Erfindung und ihre Merkmale anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 1 und 1' bezeichnet die Zahl 1 eine Meßproben platte, deren Dicke im wesentlichen gleichmäßig und so dünn ist, daß die thermische Diffusion in Oberflächenrichtung vernachlässigt werden kann. Ist z. B. der Abschnitt zur Messung der Temperaturleitzahl der Probenplatte ein Vierkant, handelt es sich um einen Film, eine Bahn oder eine Platte mit einem Verhältnis (l/d) der Länge (l) einer Seite zur Dicke (d) von 10 oder mehr, vorzugsweise 50 oder mehr und besser 100 oder mehr, wobei die Obergrenze der Dicke (d) höchstens 2000 µm, vorzugsweise höchstens 1500 µm und besser höchstens 1000 µm beträgt und die Untergrenze der Dicke (d) in einem solchen Bereich liegt, daß die Wärmekapazitäten der auf den beiden Oberflächen ausgebildeten leitfähigen Dünnschichten vernachlässigt werden können, d. h., mindestens 0,01 µm, vorzugsweise mindestens 0,1 µm und besser mindestens 1 µm beträgt. Ferner besteht die Meßprobenplatte 1 aus einem schwer leitfähigen Material, z. B. aus hochmolekularen Verbindungen (Polymeren) oder Keramik, deren spezifischer Widerstand mindestens 1 x 10&sup4; Ω cm, vorzugsweise mindestens 1 x 10&sup6; Ω cm und besser 1 x 10&sup7; Ω cm beträgt, keine Obergrenze hat, aber z. B. höchstens 1 x 10²¹ Ω cm, vorzugsweise höchstens 1 x 10²² Ω cm und besser höchstens 1 x 10²³ Ω cm beträgt. Die Zahl 2 stellt eine leitfähige Dünnschicht dar, die als die Wechselstromheizung zum Bewirken einer Jouleschen Wechselstromerwärmung auf einer Oberfläche der Meßprobenplatte durch einen modulierten Strom dient und deren Widerstand 0,01 Ω bis 100 kΩ, vorzugsweise 0,05 Ω bis 50 kΩ und besser 0,1 Ω bis 10 kΩ beträgt. Die als Wechselstromheizung dienende leitfähige Dünnschicht haftet vollständig in einem solchen Maß an der Probenplatte, daß die Berührungsfläche zwischen der Probenplatte und der Wechselstromheizung (leitfähige Dünnschicht 2) vernachlässigt werden kann, wobei ihre Dicke wesentlich dünner als die der Probenplatte ist, d. h. höchstens 50000 Ångström, vorzugsweise höchstens 10000 Ångström und besser höchstens 50000 Ångström, wobei die Untergrenze der Dicke z. B. mindestens 1 Ångström, vorzugsweise mindestens 5 Ångström und besser mindestens 10 Ångström beträgt, obwohl die Untergrenze keiner Einschränkung unterliegt, solange die Schicht Wechselstrom durchleiten kann.
Die Zahl 3 bezeichnet eine leitfähige Dünnschicht, die als Widerstandsthermometer zur Messung der Wechselstromanteils des Temperaturschwingungsgangs auf der der Wechselstromheizung gegenüberliegenden Oberfläche dient und deren Widerstand 0,01 Ω bis 100 kΩ, vorzugsweise 0,05 Ω bis 50 kΩ und besser 0,1 Ω bis 10 kΩ beträgt. Die als das Widerstandsthermometer dienende leitfähige Dünnschicht haftet vollständig in einem solchen Maß an der Probenplatte, daß die Berührungsfläche zwischen der Probenplatte und dem Widerstandsthermometer vernachlässigt werden kann, wobei ihre Dicke wesentlich dünner als die der Probenplatte ist, d. h. höchstens 10000 Ångström, vorzugsweise höchstens 5000 Ångström und besser höchstens 1000 Ångström, wobei die Untergrenze der Dicke z. B. mindestens 1 Ångström, vorzugsweise mindestens 5 Ångström und besser mindestens 10 Ångström beträgt, obwohl die Untergrenze keiner Einschränkung unterliegt, solange der Film genügend Gleichstrom durchleiten kann, um die Widerstandsänderung zu erfassen.
Fig. 2, 3 und 8 zeigen als Beispiel schematische Darstellungen des Meßverfahrens und der Meßvorrichtung der Erfindung. Fig. 2 und 3 veranschaulichen Beispiele, in denen ein Temperaturschwingungsgang als Schwingungsgang verwendet wird, während Fig. 8 ein Beispiel ist, in dem eine periodische Schallwelle als Schwingungsgang verwendet wird. Zunächst werden die Beispiele des erstgenannten Falls (Temperaturschwingungsgang) beschrieben.
Gemäß Fig. 2 und 3 wird ein Wechselstrom an einer Wechselstromheizung 2 durch einen Generator 4 für einen modulierten Wechselstrom (Funktionssynthesizer usw.) angelegt, um die Wechselstromheizung 2 durch Joulesche Wechselstromwärme zu erwärmen. Einem Widerstandsthermometer 3 wird ein Gleichstrom mit Festspannung durch eine Gleichstromquelle 5 (Batterie usw.) zugeführt, und die Spannungsänderung infolge der Temperaturabhängigkeit des Widerstands wird durch einen synchronisierten Verstärker 7 verstärkt, um den Wechselstromanteil der Temperaturschwingung zu messen. Der synchronisierte Verstärker 7 ist gemäß Fig. 2 parallel zu einem Widerstand 6 geschaltet, der zur Verhinderung der Eigenerwärmung des Widerstandsthermometers eingebaut ist, oder er ist gemß Fig. 3 parallel zum Widerstandsthermometer geschaltet, um den Wechselstromanteil des Temperaturschwingungsgangs zu messen.
Im synchronisierten Verstärker 7 bildet der Wechselstrom, der an der Widerstandsheizung 2 durch den Generator 4 zur Jouleschen Wechselstromerwärmung der Wechselstromheizung 2 angelegt wird, ein Bezugssignal, und die sich mit Änderungen des Widerstands des Widerstandsthermometers 3 ändernde Spannung bildet ein Eingabesignal. Der synchronisierte Verstärker 7 liefert eine verstärkte Ausgabe in Form einer Gleichspannung, die proportional zu einer Phasendifferenz zwischen dem Bezugssignal und dem Eingabesignal ist. Von allen am Eingabesignal beteiligten Frequenzen kann nur die interessierende Frequenz mit der gleichen Phase wie die der Frequenz (mit den ungeradzahligen Oberwellen) des Bezugssignals im synchronisierten Verstärker 7 detektiert werden. Daher wird Rauschen mit anderen Frequenzen als die interessierende nahezu vollständig beseitigt.
Die Ausgabesignale des synchronisierten Verstärkers 7 werden zu einem Datenprozessor 8 (z. B. einem Personalcomputer) gesendet, um die Temperaturleitzahl zu bestimmen. Die Temperaturleitzahl wird wie folgt berechnet:
Da ungeachtet dessen, ob der Strom positiv oder negativ ist, die Joulesche Wärme am Gipfelpunkt am größten ist, beträgt der Zyklus der Temperaturschwingung das Doppelte des Wechselstromzyklus. Folglich ändert sich der Wechselstromanteil (die Komponente) der Temperatur der Wechselstromheizung 2 mit einer Frequenz f unter der Annahme, daß die Frequenz des modulierten Wechselstroms f/2 ist. Die geänderte Temperatur wird ausgedrückt als
T(t)= T&sub0;cos(ωt) (1),
wobei die Winkelfrequenz mit ω (= 2πf) angesetzt wird.
Die Probe 1 besteht aus einem schwer leitfähigen Material, aber infolge ihrer extrem dünnen Dicke wird die Wärmeenergie aus der Jouleschen Wärme der Wechselstromheizung 2 nur durch Wärmeleitung in die Dickenrichtung übertragen, was einen periodischen Temperaturschwingungsgang am Widerstandsthermometer 3 auf der gegenüberliegenden Oberfläche verursacht.
Wird die Dicke der Meßprobenplatte mit d und die Temperaturleitzahl mit α angesetzt, so beträgt die geänderte Temperatur
T(t) = T&sub0; exp (- [ω/2α]d)cos(ωt- [ω/2α]d) (2),
und beachtet man nur die Phasenverschiebung zwischen beiden, beträgt sie
Δθ = [ω/2α]d + β (3).
Hierin sind Δθ die Phasenverschiebung infolge der thermischen Diffusion in der Meßprobenplatte und β eine Vorrichtungskonstante.
Durch Einsetzen von ω = 2πf in Gleichung (3), gefolgt von einer Abwandlung, ergibt sich
Δθ = d [π/α] f + β (4).
Daher läßt sich bei einer Meßprobenplatte mit einer bekannten Dicke d die Temperaturleitzahl α anhand von Gleichung (4) bestimmen, indem veranlaßt wird, daß sich die Modulationsfrequenz an mindestens zwei Punkten ändert, wobei die Phasenverschiebung Δθ zwischen der Wechselstromheizung und dem Wechselstromanteil der durch das Widerstandsthermometer gemessenen Temperatur gemessen und die Rate der Veränderung (Gradient oder Anstieg bei Ausdruck als Kurve) der Phasenverschiebung zur Quadratwurzel der Modulationsfrequenz f bestimmt wird.
Die Untergrenze des für diese Messung geeigneten Frequenzbereichs ist die Frequenz, bei der die thermische Diffusionslänge (µs = [2α/ω]) nicht größer als die Dicke d der Meßprobenplatte ist, und die Obergrenze liegt in einem solchen Frequenzbereich, daß die durch das Widerstandsthermometer gemessene Amplitude der Temperaturschwingung größer als Rauschen ist. Somit beträgt der Frequenzbereich 0,01 bis 1000 Hz, vorzugsweise 0,5 bis 700 Hz und besser 0,1 bis 500 Hz, wenn die Meßprobenplatte ein hochmolekularer Film mit einer Dicke von etwa 100 µm ist.
Die Meßprobenplatte 1 ist in eine Zelle 9 zum Erwärmen und Abkühlen eingebaut, und die Meßatmosphärentemperatur des Meßteils wird von einem Temperaturregler 10 geregelt. Durch Ändern der Meßatmosphärentemperatur kann die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl bei jeder gewünschten Temperatur gemessen werden.
Gemäß Fig. 4 werden diese Geräte sämtlich von einem Personalcomputer gesteuert, wobei auch die Messungen automatisch durchgeführt werden, so daß sich ein integriertes automatisches Meßsystem ergibt. Durch Bestimmen des Bereichs von Meßfrequenzen zu Meßbeginn wird die Ausgabefrequenz eines Funktionssynthesizers, d. h., des Wechselstromgenerators, automatisch nach Abschluß der Messung bei jeder Frequenz umgeschaltet. Der Meßwert vom synchronisierten Verstärker wird zum Personalcomputer nach jeder Beendigung der Messung bei der jeweiligen Frequenz gesendet, und nach Abschluß der Messungen im vorbestimmten Bereich von Meßfrequenzen werden diese Meßwerte auf einer Speicherplatte gespeichert. Durch Bestimmen von Meßtemperaturen zu Meßbeginn wird die Temperatur nach Abschluß der Messung bei jeder Temperatur auf die nächste Temperatur erhöht oder gesenkt, und die Messung wird automatisch wiederholt, bis alle Messungen bei den vorbestimmten Temperaturen abgeschlossen sind.
Wird die Wärmeleitzahl mit λ, die spezifische Wärme mit Cp und die Dichte mit angesetzt, so wird die Beziehung zwischen der Temperaturleitzahl und der Wärmeleitzahl mit
α = λ/(Cp ) (5)
und abgewandelt mit
λ = α Cp (6)
ausgedrückt. Somit läßt sich die Wärmeleitzahl durch Einsetzen der durch andere Meßverfahren gewonnenen Werte für die spezifische Wärme und Dichte in Kombination mit dem erfindungsgemäß ermittelten Wert für die Temperaturleitzahl in Gleichung (6) gewinnen. Die spezifische Wärme kann durch ein Kalorimeter mit Differentialabtastung, ein adiabatisches Kalorimeter usw. und die Dichte durch ein Volumendilatometer, ein P-V-T-Meßgerät usw. gemessen werden. Diese Meßwerte werden zur Bestimmung der Wärmeleitzahl verwendet.
Unter Ausnutzung der Erscheinung, daß die Phasenverschiebung der Temperaturschwingungen zwischen der durch Wechselstromerwärmung erwärmten Oberfläche und ihrer gegenüberliegenden Oberfläche von der Modulationsfrequenz des durch die erwärmte Oberfläche fließenden Wechselstroms abhängig ist, bestimmt die Erfindung folglich die Temperaturleitzahl, indem sehr kleine leitfähige Dünnschichten auf einer sehr kleinen Meßprobenplatte ausgebildet werden, eine der Dünnschichten veranlaßt wird, Wärme durch einen Wechselstrom zu erzeugen, und die Temperaturschwingung auf der gegenüberliegenden Oberfläche elektrisch gemessen wird. Da die sehr kleinen leitfähigen Dünnschichten lediglich auf der sehr kleinen Meßprobenplatte ausgebildet sind, kann die Meßumgebung leicht gleichmäßig erwärmt oder abgekühlt werden. Somit läßt sich die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl durch beliebiges Ändern der Temperatur der Meßatmosphäre messen.
Ferner kann die Wärmeleitzahl unter Verwendung von Meßwerten der spezifischen Wärme und Dichte bestimmt werden, die mit anderen Verfahren gewonnen wurden.
Im folgenden wird ein Beispiel für den letztgenannten Fall der Verwendung einer periodischen Schallwelle beschrieben.
Gemäß Fig. 8 ist eine Meßprobe in einer abgedichteten Zelle 30 luftdicht so eingebaut, daß die zu messende Oberfläche einen Teil der Wände der abgedichteten Zelle bildet und die Wechselstromheizung (leitfähige Dünnschicht) 2 durch einen Generator 40 für einen modulierten Wechselstrom, z. B. einen Funktionssynthesizer, eine Joulesche Wechselstromerwärmung erfährt. In der abgedichteten Zelle 30 ist ein Mikrofon 50 luftdicht als Schallsignaldetektor eingebaut, und die Ausgabe wird durch einen synchronisierten Verstärker 60 verstärkt, um den Wechselstromanteil der periodischen Schallwelle in der abgedichteten Zelle zu messen.
Der synchronisierte Verstärker 60 gewinnt einen Gleichstromanteil aus dem Produkt des Bezugswechselstroms vom Wechselstromgenerator 40 und der detektierten Welle. Seine Selektivität ist so, daß von den notwendigen Frequenzen abweichendes Rauschen nahezu vollständig beseitigt wird.
Die Ausgabesignale des synchronisierten Verstärkers 60 werden zu einem Datenprozessor 70 (z. B. einem Personalcomputer) gesendet, um die Temperaturleitzahl zu bestimmen. Das Berechnungsverfahren für die Temperaturleitzahl ist wie folgt:
Da ungeachtet dessen, ob der Strom positiv oder negativ ist, die Joulesche Wärme am Gipfelpunkt am größten ist, beträgt der Zyklus der Temperaturschwingung das Doppelte des Wechselstromzyklus. Folglich ändert sich der Wechselstromanteil der Temperatur der Wechseistromheizung 2 mit einer Frequenz f unter der Annahme, daß die Frequenz des modulierten Wechselstroms f/2 ist. Die geänderte Temperatur wird ausgedrückt als
T(t) = T&sub0; cos(ωt) (1),
wobei gemäß der vorstehenden Beschreibung die Winkelfrequenz mit ω (= 2πf) angesetzt wird.
Die Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung übertragen, was eine periodische Temperaturschwingung im Gas in der abgedichteten Zelle bewirkt, das mit der gegenüberliegenden Meßoberfläche in Berührung steht, und eine periodische Schallwelle erzeugt, die in der Phase mit der Temperaturschwingung auf der Meßoberfläche der Probe übereinstimmt. Wird die Dicke der Meßprobenplatte mit d und die Temperaturleitzahl mit α angesetzt, so beträgt die geänderte Temperatur
T(t) = T&sub0; exp (- [ω/2α]d)cos(ωt- [ω/2a]d) (2),
und beachtet man nur die Phasenverschiebung zwischen der Temperatur der Wechselstromheizung und der Temperatur der gegenüberliegenden Oberfläche, beträgt sie
Δθ = [ω/2α]d + β (3),
worin Δθ und β die gleichen Bedeutungen entsprechend der vorstehenden Festlegung haben. Δθ stimmt mit der Phasenverschiebung der zuvor beschriebenen periodischen Schallwelle überein. Durch Einsetzen von ω = 2πf in Gleichung (3), gefolgt von einer Abwandlung, ergibt sich daher
Δθ = d [π/α] f + β (4)
gemäß der vorstehenden Beschreibung.
Daher läßt sich bei einer Probenplatte mit einer bekannten Dicke d die Temperaturleitzahl α anhand von Gleichung (4) für mindestens zwei Punkte der Modulationsfrequenz und Messen der Phasenverschiebung Δθ zwischen der Wechselstromheizung und der durch den Schallsignaldetektor gemessenen periodischen Schallwelle bestimmten, wodurch die Temperaturleitzahl anhand des Gradienten der Phasenverschiebung zur Quadratwurzel der Modulationsfrequenz f bestimmt wird.
Die Untergrenze des für diese Messung geeigneten Frequenzbereichs ist die Frequenz, bei der die thermische Diffusionslänge (µs = [2α/ω]) nicht größer als die Dicke d der Meßprobenplatte ist, und die Obergrenze liegt in einem solchen Frequenzbereich, daß die Amplitude der periodischen Schallwelle größer als Rauschen ist, wobei der Frequenzbereich 0,01 bis 1000 Hz, vorzugsweise 0,1 bis 700 Hz und besser 0,1 bis 500 Hz beträgt, wenn die Probe ein hochmolekularer Film mit einer Dicke von etwa 100 µm ist.
Die Erfindung nutzt grundsätzlich die Erscheinung, daß die Phasenverschiebung zwischen der durch die Joulesche Wechselstromerwärmung erwärmten Oberfläche und der periodischen Schallwelle in der abgedichteten Zelle, verursacht durch die Temperaturschwingung der gegenüberliegenden Oberfläche, von der Modulationsfrequenz des durch die erwärmte Oberfläche fließenden Wechselstroms abhängig ist. Die Erfindung bestimmt die Temperaturleitzahl, indem eine sehr kleine leitfähige Dünnschicht auf einer sehr kleinen Probenpiatte ausgebildet, Wechselstrom an der Dünnschicht zum Erzeugen von Joulescher Wechselstromwärme angelegt und die Temperaturschwingung auf der gegenüberliegenden Oberfläche mittels der periodischen Schallwelle gemessen wird. Da die sehr kleine leitfähige Dünnschicht lediglich auf der sehr kleinen Meßprobenplatte ausgebildet ist, kann die Meßprobe leicht gleichmäßig erwärmt oder abgekühlt werden. Außerdem ist die Vorrichtung auch einfach und klein.
Fig. 1 und 1' sind jeweils Seitenansichten zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Meßprobenplatte in der Erfindung. Fig. 1 zeigt ein Beispiel, bei dem eine leitfähige Dünnschicht auf einer Oberfläche der Platte ausgebildet ist, während in Fig. 1' leitfähige Dünnschichten auf beiden Oberflächen ausgebildet sind.
Fig. 2, 3 und 8 zeigen jeweils als Beispiel eine schematische Darstellung des Meßverfahrens und der Meßvorrichtung der Erfindung. Fig. 2 und 3 sind Beispiele, in denen ein Temperaturschwingungsgang als Schwingungsgang verwendet wird, während in Fig. 8 eine periodische Schallwelle verwendet wird.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels, in dem die Meßvorrichtung der Erfindung automatisiert ist.
Fig. 5 zeigt ein Meßbeispiel für die Abhängigkeit der Phasenverschiebung der Ausgaben zwischen der Wechselstromheizung und dem Wechselstromanteil des Widerstandsthermometers von der Quadratwurzel der Frequenz für den Fall einer Saphirplatte.
Fig. 6 zeigt ein Meßbeispiel für die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl, gemessen mit einem Polystyrenfilm.
Fig. 7 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung eines Beispiels für die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitzahl, die unter Verwendung des Meßwerts der Temperaturleitzahl und den durch andere Verfahren gewonnenen Meßwerten der spezifischen Wärme und Dichte bestimmt wurde, für den Fall des Polystyrenfilms.
Fig. 9 ist eine Zeichnung zur Veranschaulichung eines Meßbeispiels für die Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen der Wechselstromheizung und den Ausgaben eines Schallsignaldetektors von der Quadratwurzel der Frequenz, gemessen mit einem PET-Film (Polyethylenterephthalat-Film).
In den Zeichnungen bezeichnen die Zahlen und Buchstaben folgendes:
1 Meßprobenplatte,
2 Wechselstromheizung (elektrisch leitfähige Dünnschicht),
3 Widerstandsthermometer (elektrisch leitfähige Dünnschicht),
4 und 40 Wechselstromgenerator (Funktionssynthesizer),
5 Gleichstromquelle (Batterie),
6 Widerstand zum Verhindern der Eigenerwärmung,
7 und 60 synchronisierter Verstärker,
8 und 70 Datenprozessor,
9 Erwärmungs- und Abkühlungszelle für Meßprobenplatte,
10 Temperaturregler,
Δθ Phasenverschiebung,
50 Mikrofon,
f Frequenz der Temperaturschwingung auf der Temperaturmeßoberfläche,
T Meßtemperatur,
α Temperaturleitzahl,
λ Wärmeleitzahl.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der nachstehenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurde die Vorrichtung von Fig. 2 zur Messung verwendet.
Als Meßprobenplatte werden verwendet: (1) eine Saphirplatte mit einer Dicke von 98 µm und einer Größe von 15 mm x 15 mm, die mit einem 10 mm x 3 mm großen Polyesterfilm auf beiden Seiten so abgedeckt ist, daß die Seite der Wechselstromheizung eine Goldschichtdicke von 500 Ångström und die Seite des Widerstandsthermometers eine Goldschichtdicke von 800 Ångström hat, wobei Gold auf beide Seiten durch Sputtern aufgetragen wurde, und (2) ein Polystyrenfilm mit einer Dicke von 120 µm und einer Größe von 15 mm x 10 mm, der mit einem 10 mm x 3 mm großen Polyesterfilm auf beiden Seiten so abgedeckt ist, daß die Seite der Wechselstromheizung eine Goldschichtdicke von 500 Ångström und die Seite des Widerstandsthermometers eine Goldschichtdicke von 800 Ångström hat, wobei Gold auf beide Seiten durch Sputtern wie im Fall des Saphirs aufgetragen wurde.
Fig. 5 veranschaulicht die Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen der Wechselstromheizung und den Ausgaben des Wechselstromanteils des Widerstandsthermometers von der Quadratwurzel der Frequenz im Fall der Saphirplatte. Aus dem zeichnerisch gewonnenen Gradienten wird die Temperaturleitzahl unter Verwendung der zuvor beschriebenen Gleichung bestimmt. Bei diesem Meßverfahren läßt sich durch die Verwendung eines synchronisierten Verstärkers von den notwendigen Frequenzen abweichendes Rauschen nahezu vollständig beseitigen, und infolge des Absolutwerts der Temperatur erzeugt die Messung auf der Grundlage der Phasenverschiebung keinerlei Meßfehler. Folglich lassen sich Meßdaten mit ausgezeichneter Genauigkeit und Wiederholbarkeit gewinnen. Die anhand des Gradienten bestimmte Temperaturleitzahl beträgt etwa 1,2 x 10&supmin;&sup5; m²/s und stimmt gut mit den in der Literatur angegebenen Werten der Temperaturleitzahl von Saphir sowie den berechneten Werten der Temperaturleitzahl anhand anderer thermischer Eigenschaften überein.
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse einer Messung der Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl des Polystyrenfilms. Die Glasumwandlungstemperatur dieser Meßprobenplatte beträgt etwa 105 ºC, aber darstellungsgemäß läßt sich die Temperaturleitzahl in einem breiten Temperaturbereich oberhalb der Glasumwandlungstemperatur messen. Ferner zeigen sich solche interessanten Ergebnisse, daß die Temperaturleitzahl einen Spitzenwert in der Umgebung der Glasumwandlungstemperatur hat und daß sich außerdem eine große Differenz zwischen der Temperaturleitzahl im flüssigen und festen Zustand beobachten läßt.
Somit gestattet die Erfindung eine detaillierte Untersuchung der Änderung der Temperaturleitzahl infolge der morphologischen Änderungen und der Molekularbewegung einer Substanz und einen genauen Entwurf usw. von Produkten bei hohen Temperaturen, was bisher schwierig zu bewerten war. Ferner kann durch die Erfindung eine genauere Analyse bei tatsächlichen Verarbeitungs- und Verwendungstemperaturen unter Ausnutzung verschiedener Simulationsprogramme erfolgen.
Fig. 7 zeigt die Meßergebnisse der Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitzahl, bestimmt anhand des Meßwerts der Temperaturleitzahl, die durch das erfindungsgemäße Verfahren gewonnen wird, und der Meßwerte der spezifischen Wärme und Dichte, die durch andere Verfahren gewonnen werden, für den Fall des Polystyrenfilms. Die spezifische Wärme wurde mit einem Kalorimeter mit Differentialabtastung gemessen, während die Dichte mit einem P-V-T-Kapillarmeßgerät gemessen wurde. Die so gewonnene Wärmeleitzahl hat wie im Fall der Temperaturleitzahl einen Spitzenwert in der Umgebung der Glasumwandlungstemperatur, und ihr gesamtes Verhalten ähnelt auch dem der Temperaturleitzahl. Die Temperaturleitzahl trägt zur Wärmeleitzahl stärker als die spezifische Wärme und Dichte bei. Unter Verwendung der Ergebnisse kann ein Produkt für hohe Temperaturen präziser entworfen werden usw., was bisher schwierig zu bewerten war. Ferner kann eine genaue Analyse bei tatsächlichen Verarbeitungs- und Verwendungstemperaturen unter Ausnutzung verschiedener Simulationsprogramme erfolgen.
Mit der Vorrichtung von Fig. 3 wurden ferner ähnliche Messungen angestellt, wobei sich bestätigte, daß im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt wurden.

Beispiel 2

Es wurde die Vorrichtung gemäß Fig. 8 verwendet. Als Meßprobe kam ein PET-Fum (Polyethylenterephthalat-Film) mit einer Dicke von 100 µm und einer Größe von 10 mm x 10 mm zum Einsatz, der eine durch Sputtern aufgedampfte Goldschicht von 300 Ångström als Wechselstrornheizung aufwies.
Fig. 9 zeigt die Abhängigkeit der Phasenverschiebung zwischen der Wechselstromheizung und den Ausgaben des Schallsignaldetektors von der Quadratwurzel der Frequenz, gemessen mit dieser Meßprobe. Anhand des in dieser Zeichnung gewonnenen Gradienten wurde die Temperaturleitzahl mit den vorstehend beschriebenen Gleichungen auf die gleiche Weise ermittelt.
Wie zuvor beschrieben wurde, lassen sich die im folgenden genannten Effekte erfindungsgemäß realisieren, die auf geeignete Weise auf solche Gebiete wie die Entwicklung, den Produktentwurf und die Simulationsanalyse einer Vielzahl von Materialien anwendbar sind, zu denen hochmolekulare Materialien (Polymere), Keramik usw. gehören.
(1) Da die Meßprobenplatte sehr klein (und dünn) ist und die leitfähigen Schichten vollständig an der Platte haften, so daß nur die Phasenverschiebung der Wechselstromanteile der Temperatur gemessen wird, hat der Absolutwert der Temperatur keinerlei Bedeutung, so daß sich genaue Messungen mit nur geringfügigen Fehlern durchführen lassen, die Vorrichtung verkleinert und die Messung beschleunigt werden kann. Damit lassen sich verschiedene Probleme vollständig ausschalten, die beim herkömmlichen Ångström-Verfahren eine Rolle spielen, d. h., die Notwendigkeit einer großen Probenmenge, eine große adiabatische Ausrüstung zur Minimierung von Wärmeverlust, eine relativ lange Zeit, die zur Messung erforderlich ist, sowie Meßobjekte, die auf Materialien mit relativ großer Temperaturleitzahl beschränkt sind.
(2) Da die leitfähigen Dünnschichten so ausgebildet sind, daß sie durch Sputtern usw. vollständig an der Probe haften, und so dünn sind, daß die Berührungsfläche vernachlässigt werden kann, entsteht kein Wärmeverlustproblem.
Daher lassen sich eine ungleichmäßige Erwärmung und Fehler infolge von Wärmeverlust vermeiden, was beim Blitzverfahren und PAS-Verfahren mit Lichtabsorption auftritt. Ferner ist in der Erfindung kein im PAS-Verfahren verwendeter Schallsignaldetektor notwendig, und es treten keine Fehler infolge von Schwingungen und Geräuschen auf.
(3) Die Probe ist auf eine so winzige Größe verkleinert und die Vorrichtung ist so vereinfacht und miniaturisiert, daß sich die Temperatur der Meßatmosphäre durch Erwärmen oder Abkühlen der mit der Probe ausgestatteten Zelle leicht ändern und sich dadurch die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl messen läßt.
Bei der Untersuchung der Verwendungs- und Verarbeitungsbedigungen eines tatsächlichen Produkts und bei seiner Analyse auf der Grundlage von tatsächlichen Erscheinungen müssen seine thermischen Eigenschaften in einem großen Temperaturbereich von der Raumtemperatur bis zur Schmelztemperatur oder darüber bekannt sein. Erfindungsgemäß lassen sich jedoch die thermischen Eigenschaften einer Probe von vielen Seiten messen, ohne die Vorrichtung dadurch kompliziert zu machen oder zu vergrößern, daß Proben in Mengen behandelt werden oder eine luftdichte Zelle vorgesehen ist, wie das bei herkömmlichen Verfahren der Fall ist, so daß flexibel die jüngsten mannigfaltigen Untersuchungen und Entwicklungen zu Materialkennwerten durchgeführt werden können.
(4) Die Wärmeleitzahl läßt sich anhand des erfindungsgemaßen Meßwerts und der durch andere Verfahren gewonnenen spezifischen Wärme und Dichte ermitteln.
Für die Untersuchung und Entwicklung der Kennwerte eines Materials unter Berücksichtigung der bei der Wärmeübertragung des Materials eine Rolle spielenden Eigenschaften ist es wichtig, daß nicht nur seine Temperaturleitzahl, sondern auch seine Wärmeleitzahl bekannt ist. Erfindungsgemäß können dabei die Kennwerte des Materials unter Verwendung der Temperaturleitzahl wie auch der Wärmeleitzahl auf vielfältige Weise untersucht und entwickelt werden.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl (α) in die Dickenrichtung einer dünnen Probenplatte mit einer bekannten Dicke (d), das die folgenden Schritte aufweist:

a) Ausbilden einer leitfähigen Dünnschicht auf mindestens einer Oberfläche der dünnen Probenplatte (1), damit der Dünnfilm als eine Wechselstromheizung wirken kann, die Joulesche Wärme erzeugt;

b) Anlegen eines Wechselstroms mit einer vorgegebenen Frequenz (f/2) an der Wechselstromheizung (leitfähigen Dünnschicht), um eine Joulesche Wechselstromerwärmung zu erzeugen;

c) Erzeugen eines Schwingungsgangs entsprechend der Jouleschen Wechselstromerwärmung auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Wechselstromheizung;

d) Vergleichen der Phase des Schwingungsgangs (cos(2πf t- [2πf/2α] d)) und der Phase des Wechselstromanteils der Jouleschen Wechselstromerwärmung (cos(2πf t)), um die Verschiebung (Δθ) zwischen den beiden Phasen zu messen;

e) Wiederholen der Schritte b) bis d) mindestens einmal durch Anlegen eines weiteren Wechselstroms mit einer anderen Frequenz; und

f) Berechnen der Temperaturleitzahl (α) in die Dickenrichtung der Probenplatte (1) auf der Grundlage der folgenden Gleichung:

d [π/α] = A,

worin A die Rate der Änderung der Verschiebung (Δθ) in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der doppelten Frequenz des Wechselstroms ( f) ist, die sich durch die vorgenannte Wiederholung der Schritte ergibt.

2. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl der Probenplatte nach Anspruch 1, wobei der Schwingungsgang ein Temperaturschwingungsgang oder eine periodische Schallwelle ist.

3. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 2, das die folgenden Schritte aufweist:

Ausbilden von leitfähigen Dünnschichten auf beiden Oberflächen einer dünnen Probenplatte, damit eine der Dünnschichten als eine Wechselstromheizung wirken kann, die Joulesche Wärme erzeugt, und damit die andere Dünnschicht als ein Widerstandsthermometer wirken kann, das die Abhängigkeit des Widerstands von der Temperatur ausnutzt;

Anlegen eines mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz modulierten Wechselstroms an der Wechselstromheizung, um eine Joulesche Wechselstromerwärmung zu erzeugen;

Erzeugen eines Temperaturschwingungsgangs entsprechend der Jouleschen Wechselstromerwärmung in dem Widerstandsthermometer; und

Messen der Phasenverschiebung zwischen dem Temperaturschwingungsgang und der Jouleschen Wechselstromerwärmung an mindestens zwei Punkten in dem Modulationsfrequenzbereich, um dadurch die Temperaturleitzahl in die Dickenrichtung der Probenplatte anhand der Beziehung zwischen den Phasenverschiebungen und der Modulationsfrequenz zu ermitteln.

4. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 3, wobei die Probenpiatte eine Platte aus einem gering leitfähigen Material ist, das aus hochmolekularen Materialien (Polymeren), organischen Farbstoffen, mineralischen Erzen, Gläsern und Keramik ausgewählt ist.

5. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 3 oder 4, wobei die als das Widerstandsthermometer wirkende leitfähige Dünnschicht eine Dünnschicht ist, die aus einem leitfähigen Material hergestellt ist, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert.

6. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 3 oder 4, wobei die als die Wechselstromheizung und das Widerstandsthermometer wirkenden Dünnschichten durch ein Verfahren ausgebildet sind, das aus Sputtern, Aufdampfen, Beschichten, Kleben und Ausüben von Druck ausgewählt ist.

7. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl bei gewünschten Temperaturen durch Erwärmen oder Abkühlen der Probe gemessen wird.

8. Verfahren zur Messung der Wärmeleitzahl einer dünnen Probenplatte mit den folgenden Schritten: Messen der Temperaturleitzahl der Probe nach dem in einem der Ansprüche 3 bis 7 beschriebenen Verfahren und Ermitteln der Wärmeleitzahl unter Verwendung der spezifischen Wärme und Dichte der Probenplatte.

9. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 2 mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen einer Zelle, die mit einem Schallsignaldetektor ausgestattet ist;

Einbauen einer Probenplatte, auf deren einer Oberflgche eine leitfähige Dünnschicht ausgebildet ist, die als eine Wechselstromheizung wirkt, und deren gegenüberliegende andere Oberfläche als die Meßoberfläche wirkt, auf eine solche Weise in die Zelle, daß die Meßoberfläche einen Teil der Innenwände der Zelle bildet;

Anlegen eines mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz modulierten Wechselstroms an der leitfähigen Dünnschicht, um eine Joulesche Wechselstromerwärmung zu erzeugen;

Erzeugen eines Temperaturschwingungsgangs entsprechend der Jouleschen Wechselstromerwärmung auf der Meßoberfläche, um dadurch eine periodische Schallwelle zu induzieren; und

Messen der Phasenverschiebung zwischen der Jouleschen Wechselstromerwärmung und der entsprechenden periodischen Schallwelle mit dem Schallsignaldetektor an mindestens zwei Punkten in dem Modulationsfrequenzbereich, um dadurch die Temperaturleitzahl in die Dickenrichtung der Probenplatte anhand der Beziehung zwischen den Phasenverschiebungen und der Modulationsfrequenz zu ermitteln.

10. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 9, wobei die Probeplatte eine Platte aus einem gering leitfähigen Material ist, das aus hochmolekularen Verbindungen (Polymeren), organischen Farbstoffen, mineralischen Erzen, Gläsern und Keramik ausgewählt ist.

11. Verfahren zur Messung der Ternperaturleitzahl nach Anspruch 9 oder 10, wobei die als die Wechselstromheizung wirkende Dünnschicht durch ein Verfahren ausgebildet ist, das aus Sputtern, Aufdampfen, Beschichten, Kleben und Ausüben von Druck ausgewählt ist.

12. Verfahren zur Messung der Temperaturleitzahl nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl bei gewünschten Temperaturen durch Erwärmen oder Abkühlen der Probe gemessen wird.

13. Verfahren zur Messung der Wärmeleitzahl einer dünnen Probenplatte mit den folgenden Schritten: Messen der Temperaturleitzahl der Probe nach dem in einem der Ansprüche 9 bis 12 beschriebenen Verfahren und Ermitteln der Wärmeleitzahl unter Verwendung der spezifischen Wärme und Dichte der Meßprobe.

14. Vorrichtung zum Messen der Temperaturleitzahl (α) durch Joulesche Wechselstromerwärmung in die Dickenrichtung einer dünnen Probenplatte (1), die mit leitfähigen Dünnschichten (2, 3) auf beiden Oberflächen versehen ist, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Wechselstromerzeugungseinrichtung (4, 40) zum Anlegen eines Wechselstroms mit einer vorgegebenen Frequenz an einer der leitfähigen Dünnschichten, wodurch die leitfähige Dünnschicht (2) als eine Wechselstromheizung wirkt, indem Joulesche Wärme in ihr verursacht wird;

eine Gleichstromzufuhreinrichtung (5) zum Anlegen eines vorgegebenen Gleichstroms an dem anderen leitfähigen Dünnfilm (3), wodurch der leitfähige Dünnfilm als ein Widerstandsthermometer wirkt, wobei sein Widerstand temperaturabhängig ist;

einen synchronisierten Verstärker (7) zum Verstärken und Ausgeben einer Gleichspannung, die proportional zu der Differenz (Δθ) zwischen der Phase eines Eingabesignals und der Phase des Wechselstromanteils der Jouleschen Wechselstromerwärmung ist, wobei das Eingabesignal eine Spannung ist, die sich in Übereinstimmung mit Änderungen des Widerstands des leitfähigen Dünnfilms (3) ändert, und der Wechselstromanteil der Jouleschen Wechselstromerwärmung ein Signal mit einer doppelten Frequenz des Wechselstroms ist; und

eine Datenverarbeitungseinrichtung (8) zum Berechnen der Temperaturleitzahl (α) auf der Grundlage der folgenden Gleichung:

d [π/α] = A,

worin d die Dicke der Probenplatte (1) und A die Rate der Änderung der Phasendifferenz (Δθ) in Abhängigkeit von der Quadratwurzel der doppelten Frequenz des Wechselstroms ist, die sich auf der Grundlage der Phasendifferenzdaten ergibt, die bei mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen des Wechselstroms gemessen werden.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner eine Zelle (9) zum Aufnehmen der Probe (1) aufweist.

16. Vorrichtung zum Messen der Temperaturleitzahl (α) durch Joulesche Wechselstromerwärmung in die Dickenrichtung einer dünnen Probenplatte (1), auf deren einer Oberfläche eine leitfähige Dünnschicht (2) ausgebildet ist, die als eine Wechselstromheizung wirkt, und deren gegenüberliegende Oberfläche als Meßoberfläche dient, wobei die Vorrichtung aufweist:

eine Wechselstromerzeugungseinrichtung (4, 40) zum Anlegen eines Wechselstroms mit einer vorgegebenen Frequenz an einer (2) der leitfähigen Dünnschichten, wodurch die leitfähige Dünnschicht als eine Wechselstromheizung wirkt, indem Joulesche Wärme in ihr verursacht wird;

eine Zelle (30) mit einem Schallsignaldetektor (50) im Inneren, durch die der Schalldetektor eine in Übereinstimmung mit der Temperaturänderung der Meßoberfläche als eine periodische Schallwelle erzeugte Schallwelle mißt, und in die die Probenplatte so eingebaut werden kann, daß die Meßoberfläche der Probenplatte (1) einen Teil ihrer Innenwände bildet;

einen synchronisierten Verstärker (60) zum Verstärken und Ausgeben einer Gleichspannung, die proportional zu der Differenz (Δθ) zwischen der Phase eines Eingabesignals und der Phase des Wechselstromanteils der Jouleschen Wechselstromerwärmung ist, wobei das Eingabesignal ein Ausgabesignal von dem Schallsignaldetektor ist und der Wechselstromanteil der Jouleschen Wechselstromerwärmung ein Signal mit einer doppelten Frequenz des Wechselstroms ist; und

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, die ferner eine Einrichtung zum Erwärmen oder Abkühlen der Probe in der Zelle (9, 30) aufweist und dadurch die Temperaturabhängigkeit der Temperaturleitzahl durch Ändern der Temperatur der Meßatmosphäre liefert.