Einstellbare Wärmeleitfähigkeit bei Verbundwerkstoffen - vom Wärmeisolator bis zum Wärmeleiter
Die physikalischen Eigenschaften von GFK/CFK und ihre besonderen thermischen Gestaltungsmöglichkeiten: Auch in Sachen Wärmeleitfähigkeit gilt: CFK und GFK können in ihren Eigenschaften sehr flexibel zusammengesetzt werden. Die Leitfähigkeit der Fasern bietet, ebenso wie die des Kunststoffs, eine große Bandbreite an möglichen Konfigurationen. So können hervorragende Wärmeisolatoren/Dämmstoffe entstehen. Aber auch Bauteile, die in ihrer Wärmeleitfähigkeit sogar Edelstahl übertreffen.
Thermische Eigenschaften von Faserverbundwerkstoffen
Worin unterscheidet sich die Wärmeleitfähigkeit bei CFK und GFK?
CFK-Wärmeleitfähigkeit hoch oder niedrig - beides ist möglich
Kohlenstoffasern haben eine sehr gute thermische Leitfähigkeit. Je nachdem, ob bei einem Composite aus Faserverbundwerkstoff die Wärmeleitfähigkeit hoch oder niedrig sein soll, kann der verwendete Kunststoff die erwünschte Eigenschaft unterstützen. So ist es möglich, durch hoch wärmeleitfähige Kunststoffe die Carbon-Wärmeleitfähigkeit auszunutzen.
Auch besteht die Möglichkeit, Bauteile mit einer integrierten Heizfunktion herzustellen: Diese wird verwendet zur Enteisung von Tragflächenvorderkanten, von Rotorblättern bei Windkraftanlagen oder der Fronthaube von Schienenfahrzeugen.
Kohlenstoffasern haben eine sehr gute thermische Leitfähigkeit. Je nachdem, ob bei einem Composite aus Faserverbundwerkstoff die Wärmeleitfähigkeit hoch oder niedrig sein soll, kann der verwendete Kunststoff die erwünschte Eigenschaft unterstützen. So ist es möglich, durch hoch wärmeleitfähige Kunststoffe die Carbon-Wärmeleitfähigkeit auszunutzen.
Auch besteht die Möglichkeit, Bauteile mit einer integrierten Heizfunktion herzustellen: Diese wird verwendet zur Enteisung von Tragflächenvorderkanten, von Rotorblättern bei Windkraftanlagen oder der Fronthaube von Schienenfahrzeugen.
GFK und Wärmeleitfähigkeit: Wärmeisolator und Werkstoff zur Wärmedämmung
Glasfaserverstärkte Kunststoffe haben einen sehr geringen Wärmeleitkoeffizienten. Somit sind GFK gute Wärmeisolatoren. Dies liegt daran, dass sowohl die Wärmeleitfähigkeit der Glasfaser als auch die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff im Bereich der thermischen Dämmung liegen. Verbunden mit anderen besonderen Eigenschaften (elektrischer Isolator, leicht und fest, witterungsbeständige und pflegeleichte Oberfläche…) lassen sich GFK für viele Anwendungsfälle einsetzen. Eine Möglichkeit ist zudem eine Anwendung von GFK mit Dämmstoff: GFK können als chemisch beständige Außenhülle fungieren, die die Dämmstoffe im inneren gegen Witterung, mechanische Belastung etc. schützen. Im Umgang mit Lebensmitteln sind GFK ein geschätzter Werkstoff, weil sie Temperaturen isolieren können und in Punkto Hygiene gut zu reinigen sind.
Glasfaserverstärkte Kunststoffe haben einen sehr geringen Wärmeleitkoeffizienten. Somit sind GFK gute Wärmeisolatoren. Dies liegt daran, dass sowohl die Wärmeleitfähigkeit der Glasfaser als auch die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff im Bereich der thermischen Dämmung liegen. Verbunden mit anderen besonderen Eigenschaften (elektrischer Isolator, leicht und fest, witterungsbeständige und pflegeleichte Oberfläche…) lassen sich GFK für viele Anwendungsfälle einsetzen. Eine Möglichkeit ist zudem eine Anwendung von GFK mit Dämmstoff: GFK können als chemisch beständige Außenhülle fungieren, die die Dämmstoffe im inneren gegen Witterung, mechanische Belastung etc. schützen. Im Umgang mit Lebensmitteln sind GFK ein geschätzter Werkstoff, weil sie Temperaturen isolieren können und in Punkto Hygiene gut zu reinigen sind.
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Norbert Frick | Geschäftsführung | Technische Leitung • info@prk-ill.de
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Wo spielt die Wärmeleitfähigkeit von Faserverbundwerkstoffen eine wichtige Rolle?
Anwendung von GFK im Bauwesen durch niedrige Wärmeleitfähigkeit
Aufgrund ihres geringen Wärmekoeffizienten eignen sich GFK für den Einsatz im Bauwesen. Klassische Metallfassaden werden in ihrem Aufbau maßgeblich von der thermischen Trennung von Innenraum und Umgebung bestimmt. Die Konstruktion solcher Fassaden ist generell sehr aufwendig, und auch Alternativen aus Holz oder Thermoplasten sind jeweils nur bedingt geeignet.
GFK hingegen ist ein sehr widerstandsfähiger Baustoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, der auch langfristig hohen Belastungen standhält. Dies erlaubt die Konstruktion tragender Strukturen, die auch die thermische Hülle eines Gebäudes durchdringen können, was Planung und Bau einfacher und flexibler macht. Bestimmte Arten von GFK besitzen zudem einen so hohen Glasfaseranteil, dass die Temperaturausdehnung solcher Bauteile der von Glas sehr ähnlich ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Stahlkonstruktionen ist so ein direktes Befestigen der Gebäudeverglasung an den umgebenden Pfosten möglich. Diese Verbindung von Glas und GFK kam erstmals 2002 auf der Messe „glasstec“ an einem Glaspavillon zum Einsatz.
Aufgrund ihres geringen Wärmekoeffizienten eignen sich GFK für den Einsatz im Bauwesen. Klassische Metallfassaden werden in ihrem Aufbau maßgeblich von der thermischen Trennung von Innenraum und Umgebung bestimmt. Die Konstruktion solcher Fassaden ist generell sehr aufwendig, und auch Alternativen aus Holz oder Thermoplasten sind jeweils nur bedingt geeignet.
GFK hingegen ist ein sehr widerstandsfähiger Baustoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, der auch langfristig hohen Belastungen standhält. Dies erlaubt die Konstruktion tragender Strukturen, die auch die thermische Hülle eines Gebäudes durchdringen können, was Planung und Bau einfacher und flexibler macht. Bestimmte Arten von GFK besitzen zudem einen so hohen Glasfaseranteil, dass die Temperaturausdehnung solcher Bauteile der von Glas sehr ähnlich ist.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Stahlkonstruktionen ist so ein direktes Befestigen der Gebäudeverglasung an den umgebenden Pfosten möglich. Diese Verbindung von Glas und GFK kam erstmals 2002 auf der Messe „glasstec“ an einem Glaspavillon zum Einsatz.
Wie misst man Wärmeleitfähigkeit? Was ist ein Wärmestrom?
Was bedeutet Wärmeleitfähigkeit / spezifische Wärmeleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmeleitkoeffizient gibt den Strom an, der bei 1 Kelvin durch eine Schicht von 1m3 fließt (sogenannter Wärmestrom). Der Begriff der Wärmeleitfähigkeit beschreibt generell, wie gut Wärmeenergie durch einen Körper transportiert wird. Wärmeleitfähigkeit ist also eine Eigenschaft eines Stoffes – man spricht von thermischen Eigenschaften. Der Transport geschieht, weil ein Temperaturgefälle vorherrscht. Wärme fließt nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik immer in die Richtung der niedrigeren Temperatur im Gefälle.
Generell bedeutet ein geringerer Wert der Wärmeleitfähigkeit ein höheres Dämmvermögen des Werkstoffes. Bei den meisten Materialien steigt die Wärmeleitfähigkeit leicht an, wenn sich die Temperatur erhöht. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist eine Konstante, die nicht von der Temperatur abhängt.
Die Wärmeleitfähigkeit bzw. der Wärmeleitkoeffizient gibt den Strom an, der bei 1 Kelvin durch eine Schicht von 1m3 fließt (sogenannter Wärmestrom). Der Begriff der Wärmeleitfähigkeit beschreibt generell, wie gut Wärmeenergie durch einen Körper transportiert wird. Wärmeleitfähigkeit ist also eine Eigenschaft eines Stoffes – man spricht von thermischen Eigenschaften. Der Transport geschieht, weil ein Temperaturgefälle vorherrscht. Wärme fließt nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik immer in die Richtung der niedrigeren Temperatur im Gefälle.
Generell bedeutet ein geringerer Wert der Wärmeleitfähigkeit ein höheres Dämmvermögen des Werkstoffes. Bei den meisten Materialien steigt die Wärmeleitfähigkeit leicht an, wenn sich die Temperatur erhöht. Die spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist eine Konstante, die nicht von der Temperatur abhängt.
Wovon hängt die Wärmeleitfähigkeit ab?
Folgende Faktoren sind für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wichtig:
Folgende Faktoren sind für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wichtig:
- Der Wärmeleitfähigkeit des Materials selbst
- Den Poren (Art, Anordnung, Größe)
- Gasfüllung in den Poren (Druck)
- Struktur der festen Bestandteile
- Temperatur
- Rohdichte
- Feuchtigkeitsgehalt
Gute Wärmeleiter und schlechte Wärmeleiter
Als gute Wärmeleiter gelten vor allem Metall wie Kupfer und Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist für ein Metall eher gering. Als schlechte Wärmeleiter zählen Beton, Glas, Styropor und Luft. Da Luft schlecht Wärme leitet, werden als Isolierstoffe häufig Stoffe mit hohem Lufteinschluss verwendet, beispielsweise Glaswolle und Styropor.
Als gute Wärmeleiter gelten vor allem Metall wie Kupfer und Aluminium. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl ist für ein Metall eher gering. Als schlechte Wärmeleiter zählen Beton, Glas, Styropor und Luft. Da Luft schlecht Wärme leitet, werden als Isolierstoffe häufig Stoffe mit hohem Lufteinschluss verwendet, beispielsweise Glaswolle und Styropor.
Vergleich: Wie ist die Wärmeleitfähigkeit von verschiedenen Stoffen ausgeprägt?
Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff
Kunststoffe sind als wichtige Wärmeisolatoren zu sehen. So liegt die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen zwischen 0,1 und 0,8 W/m*K. Ein Grund dafür besteht darin, dass der Wärmetransport in ihnen durch Schwingungen von Polymerketten stattfindet. Bei Epoxidharz beträgt die Wärmeleitfähigkeit je nach Beschaffenheit/Vorbehandlung zwischen 0,5 und 1,6 W/(m*K). Ähnliches gilt grundsätzlich für die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren / Massenkunststoffen.
Wärmeleitfähigkeit Glas
Auch Glas wirkt als Wärmeisolator/Dämmstoff. So hat gewöhnliches Fensterglas einen Lambda-Wert von 0,75. Eine wichtige Kennzahl bei Fenstern ist hier der U-Wert für den Wärmedurchgangskoeffizienten. Je niedriger er ist, desto mehr Heizenergie können die Fenster sparen.
Wärmeleitfähigkeit Glasfaser
Die Leitfähigkeiten unterscheiden sich geringfügig zwischen einzelnen Arten von Glasfasern (E-Glas, AR-Glas, ECR-Glas, R-Glas, C-Glas, S-Glas, M-Glas, D-Glas). Prinzipiell bewegen sie sich jedoch alle im Bereich von normalem Glas.
Wärmeleitfähigkeit Carbon
Der Wert der Kohlenstofffaser selbst beträgt hier 17 W/(m*K). Im Vergleich zur Glasfaser ist hier also eine gewisse Weiterleitung der Wärme möglich. Bei CFK mit gehärtetem Carbonlaminat sind jedoch deutlich höhere Werte möglich. So können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe bessere Wärmeleiter sein als Edelstähle - bei höherer Festigkeit und viel geringerem Gewicht.
Wärmeleitfähigkeit Metalle
Die beste Wärmeleitfähigkeit hat Aluminium mit 230 W/(m*K) sowie Kupfer. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl liegt deutlich darunter und ist stark abhängig von der konkreten Zusammensetzung. Standardwerte liegen um die 50 W/(m*K). Die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl liegt oft noch deutlich niedriger.
Kunststoffe sind als wichtige Wärmeisolatoren zu sehen. So liegt die Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen zwischen 0,1 und 0,8 W/m*K. Ein Grund dafür besteht darin, dass der Wärmetransport in ihnen durch Schwingungen von Polymerketten stattfindet. Bei Epoxidharz beträgt die Wärmeleitfähigkeit je nach Beschaffenheit/Vorbehandlung zwischen 0,5 und 1,6 W/(m*K). Ähnliches gilt grundsätzlich für die Wärmeleitfähigkeit von Polymeren / Massenkunststoffen.
Wärmeleitfähigkeit Glas
Auch Glas wirkt als Wärmeisolator/Dämmstoff. So hat gewöhnliches Fensterglas einen Lambda-Wert von 0,75. Eine wichtige Kennzahl bei Fenstern ist hier der U-Wert für den Wärmedurchgangskoeffizienten. Je niedriger er ist, desto mehr Heizenergie können die Fenster sparen.
Wärmeleitfähigkeit Glasfaser
Die Leitfähigkeiten unterscheiden sich geringfügig zwischen einzelnen Arten von Glasfasern (E-Glas, AR-Glas, ECR-Glas, R-Glas, C-Glas, S-Glas, M-Glas, D-Glas). Prinzipiell bewegen sie sich jedoch alle im Bereich von normalem Glas.
Wärmeleitfähigkeit Carbon
Der Wert der Kohlenstofffaser selbst beträgt hier 17 W/(m*K). Im Vergleich zur Glasfaser ist hier also eine gewisse Weiterleitung der Wärme möglich. Bei CFK mit gehärtetem Carbonlaminat sind jedoch deutlich höhere Werte möglich. So können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe bessere Wärmeleiter sein als Edelstähle - bei höherer Festigkeit und viel geringerem Gewicht.
Wärmeleitfähigkeit Metalle
Die beste Wärmeleitfähigkeit hat Aluminium mit 230 W/(m*K) sowie Kupfer. Die Wärmeleitfähigkeit von Stahl liegt deutlich darunter und ist stark abhängig von der konkreten Zusammensetzung. Standardwerte liegen um die 50 W/(m*K). Die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl liegt oft noch deutlich niedriger.
Arten von Wärmeübertragung
Man unterscheidet hier drei verschiedene Formen:
- Wärmeleitung: Wärme wird innerhalb von einem Stoff übertragen.
- Wärmeübergang: Die Wärme geht von einem Stoff auf den anderen über, z.B. wenn Wasser in einem Topf erhitzt wird, oder in einer Heizung der Brenner das Wasser im Heizkreislauf erhitzt.
- Wärmedurchgang: Er findet statt, wenn eine Wärme von einem warmen Stoff durch einen anderen Stoff auf einen dritten Stoff übergeht, z.B. wenn Wärme durch das Fenster ins Freie strahlt.
Messung von Wärmeleitung
Um die Wärmeleitfähigkeit von Dämmung zu ermitteln, werden Wärmestrommesser und Wärmestromkalorimeter eingesetzt. Mit Wärmestrom-Sensoren ist es möglich, Wärmeströme nicht invasiv zu messen. So können zusammen mit der Wärmeleitung auch die Wärmestrahlung und die Wärmekonvektion bestimmt werden.
Was ist Wärmedämmung?
Wenn es unerwünscht ist, dass sich Wärme zwischen Körpern höherer und niedrigerer Temperatur überträgt, sind Maßnahmen zur Wärmedämmung erforderlich. Dies kann man auch als „Verringerung von Wärmeübertragung“ sehen. Wärmedämmung kann helfen Brennstoffe zu sparen, oder sie kann wärmeempfindliche Körper vor Wärme schützen.
Analog zu den drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung können auch Möglichkeiten zu ihrer Dämmung ansetzen:
Analog zu den drei Möglichkeiten der Wärmeübertragung können auch Möglichkeiten zu ihrer Dämmung ansetzen:
- Eine Verhinderung der Wärmeleitung kann durch thermische Isolierstoffe erfolgen. Beispiele sind Matten aus Glaswolle, Wärmedämmplatten aus Styropor oder Fenster mit einer doppelten Glasschicht.
- Die Wärmeströmung zwischen Körpern kann man verringern, indem man Luftströme zwischen ihnen unterbindet, z.B. durch Verwendung von Dichtungen oder Wänden.
- Wärmestrahlung kann man verhindern, indem man helle, glatte, spiegelnde Flächen verwendet. So werden die Strahlen reflektiert, z.B. auf der Innenfläche einer Thermoskanne.
Wie wird die Wärmeleitfähigkeit / der Wärmeleitkoeffizient berechnet?
Will man den Wärmeleitkoeffizient berechnen, so hilft eine Formel, die auf Wikipedia gut erkläutert wird.
Berechnung der Wärmeleitfähigkeit (Wärmestrom-Formel)
Die Einheit der Wärmeleitfähigkeit wird angegeben in Watt durch Meter mal Kelvin W/(m*K). Bildet man davon den Kehrwert, bekommt man den spezifischen Wärmewiderstand. Es besteht eine Temperaturabhängigkeit bei der Wärmeleitfähigkeit: Sie steigt bei den meisten Werkstoffen leicht an, wenn sich die Temperatur des Werkstoffs erhöht.
Der heiß nach kalt gerichtete Wärmestrom eines Körpers entsteht, indem ein bestimmter Temperaturgradient (Temperaturdifferenz heiß nach kalt geteilt durch die Länge des Körpers) durch einen Körper fließt, der eine bestimmte Länge und Durchschnittsfläche hat.
Berechnung der Wärmeleitfähigkeit (Wärmestrom-Formel)
Die Einheit der Wärmeleitfähigkeit wird angegeben in Watt durch Meter mal Kelvin W/(m*K). Bildet man davon den Kehrwert, bekommt man den spezifischen Wärmewiderstand. Es besteht eine Temperaturabhängigkeit bei der Wärmeleitfähigkeit: Sie steigt bei den meisten Werkstoffen leicht an, wenn sich die Temperatur des Werkstoffs erhöht.
Der heiß nach kalt gerichtete Wärmestrom eines Körpers entsteht, indem ein bestimmter Temperaturgradient (Temperaturdifferenz heiß nach kalt geteilt durch die Länge des Körpers) durch einen Körper fließt, der eine bestimmte Länge und Durchschnittsfläche hat.
Weitere Werkstoff-Vorteile neben der einstellbaren Wärmeleitfähigkeit von CFK und GFK-Werkstoffe
- Erklärvideo Faserverbundwerkstoffe
- Freie Formgestaltung
- Modell- und Formenbau
- Moderner Leichtbau
- Chemische Beständigkeit
- Elektrische Leitfähigkeit nach Wunsch
- Arbeitssicherheit und Splitterschutz
- Brandschutzvorteile nutzen
- Schallschutz und Schwingungsdämpfung
- Lichtdurchlässige Verkleidungen und Komponenten
- Schwingfestigkeit unter Lastwechsel
- Dichtheit Flüssigkeiten/Gase
- Wärmeausdehnungskoeffizient