Bewertungsmethodik von Beschichtungen für thermografische Anwendungen bei niedrigen Temperaturen

Wärme klarer sehen

Infrarotkameras ermöglichen es uns, Wärme zu „sehen“, ohne das Messobjekt zu berühren — sei es eine Gebäudeaußenwand, ein Flugzeugteil oder menschliche Haut. Allerdings gibt es einen Haken: glänzende oder schlecht bekannte Oberflächen können die Kamera täuschen und zu Temperaturfehlern von mehreren Grad führen. Dieser Beitrag erklärt, wie man spezielle schwarze Beschichtungen konzipiert und prüft, die auf eine Oberfläche gesprüht werden, damit Infrarotkameras Temperaturen in alltäglichen, niedrigen Temperaturbereichen genauer und zuverlässiger erfassen können.

Warum Oberflächenbeschichtungen wichtig sind

Infrarotkameras messen Temperatur nicht direkt; sie detektieren die unsichtbare thermische Strahlung, die von einer Oberfläche ausgeht. Wie stark eine Oberfläche diese Strahlung emittiert, nennt man ihre Emissivität. Helle Metalle beispielsweise emittieren schlecht und reflektieren viel Umgebungsstrahlung, sodass die Kamera Spiegelungen mit tatsächlicher Oberflächentemperatur verwechseln kann. Die Autoren zeigen, dass eine praktische Lösung darin besteht, solche problematischen Oberflächen mit einer gut definierten Referenzbeschichtung zu überziehen. Diese Beschichtung sollte wie eine stabile, nahezu perfekt schwarze Schicht wirken, die das Kamerabild dominiert, unabhängig davon, was sich darunter befindet.

Die vier Aufgaben einer idealen Beschichtung

Der Studie zufolge muss eine gute thermografische Beschichtung vier Dinge gleichzeitig leisten. Erstens sollte sie die Strahlung aus dem darunterliegenden Material blockieren, statt sie durchscheinen zu lassen. Zweitens sollte sie nahezu alle einfallende Strahlung absorbieren, anstatt Umgebungsstrahlung in die Kamera zu reflektieren. Drittens darf sie nicht wie eine thermische Isolierung wirken, die die Oberfläche allein durch ihre Anwesenheit nennenswert abkühlt oder aufheizt — das bedeutet, sie sollte dünn und hinreichend wärmeleitfähig sein. Viertens muss ihre effektive Emissivität für eine gegebene Kamera und Blickrichtung bekannt und stabil sein, damit Anwender einen verlässlichen Wert in ihre Software eingeben können, statt zu raten. Zusätzlich sollte die Beschichtung einfach zu sprühen, über große Flächen gleichmäßig sowie mechanisch und thermisch stabil bis zur vorgesehenen Betriebstemperatur sein.

Dreistufiger Prüfplan

Die Autoren stellen eine strukturierte, dreistufige Methodik vor, um zu prüfen, ob ein handelsübliches Sprühpaint als solche Referenzbeschichtung dienen kann. In Schritt 1 führen sie eine „thermografische Kontrolle“ mit infrarotsensitiven Spektrometern durch, um zu messen, wie viel Strahlung die Beschichtung im gleichen Wellenlängenbereich wie eine typische Kamera (7,5–13 Mikrometer) durchlässt und emittiert. Anschließend erhitzen sie beschichtete Proben einmalig auf 120 °C und wiederholen die Messungen bei Raumtemperatur, um zu prüfen, ob sich die Eigenschaften verändert haben. Es werden strikte Grenzwerte verwendet: Transmission muss bei höchstens 1 % liegen, Emissivität bei mindestens 0,7, und Änderungen nach dem Erhitzen müssen innerhalb eines Prozentpunkts bleiben, ohne sichtbare Risse oder Ablösungen.

Vom Spraydosenprodukt zur verlässlichen Schicht

Schritt 2 widmet sich etwas Praxisnäherem: wie man die Beschichtung so aufträgt, dass sie reproduzierbar ist. Das Team prüft ein konkretes Aerosolprodukt (LabIR HERP-LT) indem mehrere Bediener mehrere Proben mit definiertem Abstand, Geschwindigkeit und Anzahl der Überfahrten aufsprühen. Sie untersuchen, wie Schichtdicke, Transmission und Emissivität von Probe zu Probe variieren. Für die gewählte Sprühfarbe ergaben acht langsame Überfahrten aus 30 cm eine Schicht von etwa 45–50 Mikrometern mit einer Transmission unter 1 % und einer Emissivität nahe 0,95; diese Werte waren sehr gut reproduzierbar. Außerdem schätzen sie ab, wie viel Beschichtung benötigt wird, um einen Quadratmeter zu bedecken — ein wichtiges praktisches Detail für Anwender.

Leistungskennzahlen festlegen

In Schritt 3 bestimmen die Autoren die Kennzahlen, die Ingenieure tatsächlich benötigen. Mit beheizten Platten und Infrarotkameras messen sie die effektive Emissivität der Beschichtung, wie sie von einer realen Kamera aus verschiedenen Blickwinkeln wahrgenommen wird. Für die getestete Beschichtung liegt die Emissivität bei annähernd 0,96, wenn die Kamera nahezu normal auf die Fläche blickt; sie nimmt jedoch ab, je schräger der Blickwinkel wird, insbesondere oberhalb von etwa 50 Grad. Sie überwachen die Emissivität zudem über 40 Minuten bei 100 °C und stellen fest, dass sie sehr stabil bleibt. Schließlich messen sie die Wärmeleitfähigkeit und bestätigen, dass die Beschichtung zwar relativ schlecht Wärme leitet, dieser Effekt jedoch berücksichtigt wird, indem die Emissivität in Bezug auf die Temperatur an der Grenzfläche zwischen Beschichtung und Basismaterial definiert wird.

Praktische Bedeutung

Für Nicht-Spezialisten lautet die Botschaft: Einfache „schwarze Farbe“ allein reicht nicht aus, um genaue Infrarot-Temperaturmessungen zu garantieren. Die Beschichtung muss systematisch geprüft und charakterisiert werden, wie in diesem dreistufigen Prüfplan beschrieben. Wenn eine Beschichtung alle Kriterien erfüllt, wie die getestete Sprühfarbe bis zu Temperaturen von 120 °C, wird sie zu einem verlässlichen Werkzeug: Anwender können sie auf problematische Oberflächen sprühen und Kamerabilder sicher in reale Temperaturen umrechnen, was Diagnosen in Bereichen von Energieaudits bis hin zu Bauteiltests verbessert.

Zitation: Honnerová, P., Veselý, Z., Matějíček, J. et al. Coating evaluation methodology for low-temperature thermographic application. Sci Rep 16, 6090 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37319-y

Schlüsselwörter: Infrarot-Thermografie, Emissionsbeschichtung, kontaktlose Temperatur, Wärmebildgebung, Oberflächenbeschichtungen