Saphir als Referenzmaterial – Wenn es bei der Wärmekapazität auf jedes Kelvin ankommt

Wenn Materialien für Hochleistungsanwendungen qualifiziert werden, ist die Kenntnis ihrer thermischen Eigenschaften unverzichtbar. Eine der zentralen Kenngrößen: die spezifische Wärmekapazität (Cp). Sie beschreibt, wie viel Energie nötig ist, um ein Gramm Material um ein Kelvin zu erwärmen – ein Maß für die „Temperaturträgheit“ eines Stoffes. Wer mit Lasern, Hochtemperaturprozessen oder schnellem Temperaturwechsel zu tun hat, weiß: Diese Information ist Gold wert.

Wärmekapazität messen – aber wie?

Die Standardmethode zur Bestimmung der Wärmekapazität ist die Differential Scanning Calorimetry (DSC). Dabei wird gemessen, wie viel Wärmefluss (in mW) in eine Probe eintritt, während sie kontrolliert erwärmt wird – typischerweise im Vergleich zu einer Referenz. Der Clou: Mit einer geeigneten Referenzprobe lässt sich daraus direkt die Cp eines unbekannten Materials berechnen.

Die Saphir-Methode: Präzision durch Transparenz

Synthetischer Saphir ist für seine konstanten und hervorragend dokumentierten thermischen Eigenschaften bekannt. Das macht ihn zum idealen Referenzmaterial für Cp-Messungen – und zur Grundlage der Saphir-Methode.

1. Korrektur-Messung (Baseline)

Zunächst werden beide Tiegel – Proben- und Referenztiegel – leer in das DSC-Gerät eingesetzt. Ziel ist es, Basisrauschen und systematische Effekte zu erfassen, etwa durch Luftdruckschwankungen oder Konvektion im Gerät.

Hinweis: Geräte mit kombinierter TGA-/DSC-Funktion (z. B. TA SDT 650) können durch ihren Aufbau zusätzliche Fehlerquellen einführen – etwa durch Auftriebseffekte aufgrund bewegter Gase im Ofenraum.

2. Kalibrierung mit Saphir

Nun wird im Probentiegel eine definierte Menge Saphir eingesetzt, der Referenztiegel bleibt leer. Die ermittelte Wärmeflusskurve wird anhand der Baseline-Messung korrigiert. Da die Wärmekapazität des Saphirs bei gegebener Temperatur bekannt ist, dient dieses Signal als Eichung für die spätere Probenmessung.

3. Messung des unbekannten Materials

Jetzt wird das zu charakterisierende Material in den Probentiegel eingebracht, der Referenztiegel bleibt erneut leer. Auch hier erfolgt eine Baseline-Korrektur. Wichtig: Temperaturprogramm, Tiegeltyp und Messbedingungen müssen exakt mit den vorherigen Schritten übereinstimmen.

4. Auswertung – was Cp wirklich verrät

Die Wärmekapazität des unbekannten Materials ergibt sich schließlich durch Vergleich der Wärmeflüsse aller drei Messungen – Baseline, Referenz und Probe. Mit bekannter Masse des Saphirs, der Probenmasse und den jeweiligen Wärmeflüssen lässt sich Cp des Materials präzise berechnen.

Cp_s = (H / h) × (m_r / m_s) × Cp_r

Legende:
– Cp_s: Wärmekapazität der Probe
– H, h: Differenz des Wärmeflusses zur Baseline (Probe und Referenz)
– m_r, m_s: Massen von Referenz und Probe
– Cp_r: Wärmekapazität des Saphirs

Warum Saphir?

Saphir überzeugt nicht nur als optisches oder mechanisches Hochleistungsmaterial, sondern auch durch seine vorhersagbaren thermischen Eigenschaften. Die Nutzung in der DSC als Kalibrierstandard zeigt einmal mehr die Vielseitigkeit dieses Kristalls. Ob in der Messtechnik, in der Laseroptik oder in der Hochtemperaturtechnologie – Saphir bleibt ein zuverlässiger Partner.

---

🧊 SAPPHCOM – Ihre Experten für synthetischen Saphir
Sie benötigen Referenzmaterialien, maßgeschneiderte Saphirkomponenten oder Beratung zur Charakterisierung? Sprechen Sie uns an. Denn wenn es heiß wird, behalten wir einen kühlen Kopf – mit Saphir.