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Didaktik der Physik
Wärmestrahlung

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    Neues Wärmeleitmaterial aus Komposit mit der Wärmebildkamera untersucht

    (in Zusammenarbeit mit AG Reich / Izabela Firkowska und Andre Boden)

    Kompositmaterialien bestehen aus Grafit/Kupfer und werden beispielsweise als Kühlkörper zur Ableitung von Wärme verwendet. Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlkörpern zeigt sich beim Kompositmaterial ein deutlich geringerer thermischer Widerstand.

    Einsatzgebiete sind die Kühlung von Halbleiter-Bauelementen wie z.B. Computer Chips oder diversen Leistungs-Transistoren und anderen Bauteilen, deren Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Der Vorteil bei einer besseren Wärmeabfuhr ist eine kleinere Dimensionierung der Kühlkörpergröße, die Platz im Gehäuse eines Gerätes und Herstellungskosten spart.

    Um mit der Wärmebildkamera verlässliche Auswertungen an oxidierten Metalloberflächen vorzunehmen, werden diese mit einem Emissionsklebeband an der Messstelle präpariert, das einen definierten Emissionsfaktor von e=0,95 aufweist. Unbehandelte Metalloberflächen können dagegen, entsprechend dem Zustand der Oberfläche, sehr unterschiedliche Abstrahlungswerte aufweisen, die eine Auswertung mit der Wärmebildkamera unmöglich machen.

    Bei dem nachfolgenden Versuch wurden zwei weiße LEDs auf einem Kupfer- und einem weiteren Komposit-Kühlkörper mit einem Wärmeleitkleber aufgebracht. Der Anschluss von beiden Leuchtdioden erfolgte parallel mit einer Dioden Power Supply. Um zu gewährleisten, dass auch beide Dioden in Ihren Leistungskennwerten vergleichbar waren, wurden sie vorher aus einer Gruppe von mehreren baugleichen Dioden selektiv ausgemessen und ausgewählt.

    LED mit Komposit- und CU-Kühlkörper

    Abb.1: Auf der linken Seite ist der Kühlkörper jeweils aus Kupfer und auf der rechten aus Kompositmaterial auf einem Aluminium-Block als Wärmesenke aufgeklebt.

    LED mit Komposit- und CU-Kühlkörper

    Abb.2: Beide LEDs nach 13 Minuten. Links Kupfer, rechts Komposit

    LED mit Komposit
    Abb.3: Video zum Aufheizvorgang der beiden Kühlkörper

    Wie auf dem Videofilm zu erkennen ist, erwärmt sich das Kompositmaterial (rechts) deutlich weniger als das Kupfermaterial im Betriebsfall. Das Video zeigt einen Erwärmungsvorgang von 13 Minuten.

    Legende zu den Spaltenwert Diagrammen:
    Rot: Die jeweiligen Kühlkörper mit schwarzem Messrahmen (Spaltentemperatur)
    Grün: Mittlere Spaltentemperatur
    Blau: Minimale Spaltentemperatur

    Literatur:
    Fotos zum Erwärmungsvorgang wurden in Nano Letters von Izabela Firkowska, Andreì Boden, Benji Boerner, and Stephanie Reich unter dem Titel The Origin of High Thermal Conductivity and Ultralow Thermal
Expansion in Copper-Graphite Composites
    am 17.6.2015 veröffentlicht.

    Weitere Informationen zu dem Forschungsgebiet der Arbeitsgruppe Reich finden Sie unter:
    Link zur Arbeitsgruppe Reich - Forschungsgebiete

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    28.07.2017 13:14:03