volumenfraktion

Die Volumenfraktion, oft einfach Volumenfraktion genannt, ist eine dimensionslose Größe, die den Anteil einer Phase am Gesamtvolumen eines mehrphasigen Systems beschreibt. Sie dient als grundlegendes Maß für die Zusammensetzung von Gemischen, Verbundwerkstoffen, porösen Materialien oder Suspensionen.

Für ein System mit n Phasen j = 1 bis n ist die Volumenfraktion fj definiert als fj = Vj / Vtotal, wobei Vj das Volumen der Phase j und Vtotal das Gesamtvolumen des Systems ist. Die Summe aller Volumenfraktionen ergibt 1. In einem Zwei-Phasen-System gilt daher f1 + f2 = 1. Wird eine Phase als Porenraum interpretiert, spricht man von Porosität phi = VPoren / Vtotal.

Volumenfraktionen sind entscheidend für die Beschreibung und Modellierung der Materialeigenschaften eines mehrphasigen Systems. Sie beeinflussen beispielsweise die effektive Wärmeleitfähigkeit, die mechanische Steifigkeit, den Transport von Massen und Impulsen sowie Diffusionsverhalten. Häufige Mischungsmodelle (lineare oder nichtlineare Mischungen) nutzen die Volumenfraktionen, um Eigenschaften des Gesamtsystems aus den Eigenschaften der einzelnen Phasen abzuleiten.

Bestimmung und Messung erfolgen typischerweise durch bildgebende Verfahren wie Röntgen- oder Mikro-CT-Tomografie, optische Bildanalyse oder zerstörungsfreie Methoden wie Archimedesprinzip bzw. Pyknometrie. Bei bekannten Dichten lässt sich aus Volumenfraktion auch die Mass Fractions wi ableiten: wi = ρi Vi / ∑j ρj Vj.

Anwendungsbereiche der Volumenfraktion liegen in der Materialwissenschaft, Geologie, Verfahrenstechnik, Polymer- und Kompositforschung sowie in der Beschreibung poröser Medien.