Dielektrische Festigkeit von Hochleistungskeramiken
Die Durchschlagsfestigkeit, auch bekannt als Durchschlagsspannung, ist das maximale elektrische Feld, dem ein Material standhalten kann, bevor es leitfähig wird. Sie wird in kV/mm (oder MV/m) gemessen und ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von Isolatoren in elektronischen, Hochspannungs- und thermischen Anwendungen. In diesem Artikel wird die dielektrische Leistung der wichtigsten keramischen Werkstoffe neben Kunststoffen und Isoliermaterialien untersucht, ein visueller Vergleich angestellt und erläutert, warum sie so wichtig ist.
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Was ist die dielektrische Festigkeit?
Die Durchschlagfestigkeit ist das maximale elektrische Feld, das ein Material ohne elektrischen Durchschlag aushält. In Festkörpern kommt es zum Durchschlag, wenn genügend Energie die Struktur ionisiert, so dass Strom fließen kann. Eine hohe Durchschlagsfestigkeit ist wichtig, um Lichtbögen zu verhindern und die Sicherheit und Langlebigkeit von Geräten zu gewährleisten.
Keramik übertrifft oft Kunststoffe und Glas und bietet eine Durchschlagfestigkeit von 10-40 kV/mm, verglichen mit Kunststoffen (1-3 kV/mm).
Sicherheitshinweis: Keramik verträgt elektrische Felder besser, muss aber nach thermischer und mechanischer Verträglichkeit ausgewählt werden.
Warum ist er ein wichtiger Indikator?
Wichtige Einblicke
Dielektrische Festigkeit von keramischen Werkstoffen
| Keramisches Material | Durchschlagfestigkeit (kV/mm) | Merkmale |
|---|---|---|
| Beryllium-Oxid (BeO) | ~27 kV/mm | Außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit und hohe Durchschlagsfestigkeit; Einsatz in der Hochleistungselektronik. |
| Aluminiumnitrid (AlN) | ~20 kV/mm | Hohe Wärmeleitfähigkeit mit ausgezeichneter elektrischer Isolierung; ideal für die Mikroelektronik. |
| ZTA 20% | 80 – 120 | Mit Zirkoniumdioxid vorgespanntes Aluminiumoxid mit erhöhter Bruchzähigkeit und moderaten dielektrischen Eigenschaften. |
| Siliziumnitrid (Si3N4) | ~15 kV/mm | Hohe mechanische Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit; Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen. |
| Bornitrid (BN) | 40 kV/mm | Hervorragende thermische Stabilität und elektrische Isolierung; wird häufig in HF- und Vakuumanwendungen eingesetzt. |
| Bearbeitbare Glaskeramik (MGC) | ~15 kV/mm | Leicht bearbeitbar unter Beibehaltung der elektrischen Isolierung; geeignet für die Herstellung von Prototypen und kundenspezifischen Formen. |
| Siliziumkarbid (SiC) | 2-10 kV/mm | Hohe Härte und Wärmeleitfähigkeit, aber begrenzte Durchschlagsfestigkeit; wird für Hochtemperaturanwendungen verwendet. |
| Tonerde (Al2O3, 96-99,7%) | 17 kV/mm | Weit verbreitete technische Keramik mit ausgewogenen mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. |
| Zirkoniumdioxid (ZrO2) | ~9 kV/mm | Hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit; geringere Durchschlagsfestigkeit, aber dort eingesetzt, wo Zähigkeit wichtig ist. |
*Die Daten dienen nur als Referenz.
*Normalerweise verschlechtern sich die dielektrischen Eigenschaften mit steigender Temperatur erheblich.
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Vergleich der Durchschlagfestigkeit
Das folgende Balkendiagramm vergleicht die Durchschlagfestigkeit von Hochleistungskeramiken mit der von Kunststoffen und herkömmlichen Isolatoren.
*Die Daten dienen nur als Referenz.
