Wärmeleitfähigkeit von Hochleistungskeramiken

Die Wärmeleitfähigkeit (k, in W/m-K) misst die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten - eine wichtige Eigenschaft für Elektronik, Luft- und Raumfahrt, Energie und industrielle Anwendungen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie sich Hochleistungskeramik im Vergleich zu Metallen und Kunststoffen verhält, warum sie wichtig ist und wo sie eingesetzt wird.

Härte von Keramiken: Eigenschaften, Vergleich und Anwendungen

Warum die Wärmeleitfähigkeit von Keramik wichtig ist

Keramik wird häufig für das Wärmemanagement verwendet, da sie auf einzigartige Weise eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer hervorragenden elektrischen Isolierung verbindet. Im Gegensatz zu Metallen, die sowohl Wärme als auch Strom leiten, können Hochleistungskeramiken wie Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO) und Siliziumkarbid (SiC) Wärme effizient übertragen und gleichzeitig den elektrischen Stromfluss verhindern. Dadurch sind sie ideal für elektronische Komponenten, Leistungsgeräte und Hochtemperaturanwendungen, bei denen elektrische Isolierung und zuverlässige Wärmeableitung entscheidend sind.

Darüber hinaus bietet die Keramik:

  • Hohe thermische Stabilität bei erhöhten Temperaturen
  • Korrosionsbeständigkeit in rauen Umgebungen
  • Mechanische Festigkeit und Dauerhaftigkeit bei Temperaturschwankungen

Dank dieser Eigenschaften können Keramiken als effektive Wärmespreizer, Substrate und isolierende Wärmesenken in Branchen wie Elektronik, Luft- und Raumfahrt, Automobilbau und Energie dienen.

Wie wird die Anwendungsrichtung von Materialien festgelegt?

  • Hochleistungskeramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit eignet sich für zentrale Teile des Wärmemanagements, z. B. elektronische Verpackungen, Wärmekontrolle in der Luft- und Raumfahrt, Halbleiter-Wärmeplatten usw.
  • Eine mittlere Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit hochfesten Werkstoffen eignet sich für dynamische Hochtemperaturkomponenten wie hochbelastete mechanische Lager und Düsen.
  • Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit werden in den Bereichen Isolierung und Temperaturkontrolle eingesetzt, wie z. B. Wärmedämmschichten und isolierende Trennwände.

Wärmeleitfähigkeitsdaten der wichtigsten Hochleistungskeramiken

Keramisches Material k (W/m-K) Merkmale
Beryllium-Oxid (BeO) 230-330 Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung, giftig in Pulverform
Aluminiumnitrid (AlN) 170-210 Hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung, geringer dielektrischer Verlust
Siliziumkarbid (SiC) 120-200 Extrem hart, ausgezeichnete Korrosions- und Verschleißfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit
Bornitrid (h-BN) ~60 schmierend, thermisch stabil, elektrisch isolierend
Tonerde (Al₂O₃) 25-35 Hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit, hervorragende elektrische Isolierung
Siliziumnitrid (Si₃N₄) 20-30 Hohe Bruchzähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Dichte
Zirkoniumdioxid (ZrO₂) 2-3 Hohe Zähigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, Phasenumwandlungszähigkeit
Bearbeitbare Glaskeramik (MGC) ~2 Leicht bearbeitbar, gute Durchschlagfestigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit

*Die Daten dienen nur als Referenz.

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Die Auswahl des richtigen keramischen Materials mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend für die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit und optimaler Leistung. Ob Sie nun Berylliumoxid, Aluminiumnitrid oder Tonerde-Keramikplatten Materialien bieten unsere Materialien branchenführende Leistung, Haltbarkeit und Präzision.

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Vergleich: Keramik vs. Metalle und Kunststoffe

Das nachstehende Balkendiagramm zeigt die Wärmeleitfähigkeit verschiedener technischer Materialien - von superharten Keramiken bis hin zu gewöhnlichen Industriekunststoffen - in der Reihenfolge von hoch bis niedrig.

Keramik Metall Kunststoff

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Anwendungen auf der Grundlage der Wärmeleitfähigkeit von Keramik

  • Anwendung Keramiken:

    • Aluminiumnitrid (AlN)
    • Berylliumoxid (BeO)
    • Siliziumnitrid (Si₃N₄)
  • Anwendungsfälle:

    • Isolierdichtung für hohe Wärmebelastung: Si₃N₄-Keramik hat eine gute Wärmeleitfähigkeit (ca. 20-30 W/m-K), hohe Temperaturbeständigkeit und Schlagfestigkeit und wird in Hochgeschwindigkeitsspindeln verwendet, um Wärme effektiv zu leiten und Überhitzung zu vermeiden.
    • Wärmeableitende Endabdeckung für Motoren: AlN hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 170-220 W/m-K) und wird häufig in hocheffizienten Motorgehäusen als Ersatz für herkömmliche Metalle verwendet, um Gewicht und thermische Belastung zu reduzieren.
    • Wärmeaustauschsockel für Hochleistungsgeräte: für die Kühlung des Leistungsmoduls von CNC-Werkzeugmaschinen.
  • Anwendung Keramiken:

    • Aluminiumnitrid (AlN)
    • Berylliumoxid (BeO)
    • Aluminiumoxid (Al₂O₃)
  • Anwendungsfälle:

    • Wärmeableitungssubstrat für Hochfrequenzkommunikationsmodule (AlN/BeO): Hohe Wärmeleitfähigkeit (BeO >250 W/m-K), die sicherstellt, dass die Temperatur des Mikrowellenchips in einem sicheren Bereich gehalten wird, der häufig in 5G- und Radarmodulen verwendet wird.
    • Basis für die Wärmeableitung von LED-Gehäusen: AlN-Keramik hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute Isolierung und ist das gängige Material für Hochleistungs-LED-Gehäuse.
    • IGBT/Leistungshalbleiter-Gehäusesubstrat: Das AlN-Substrat unterdrückt wirksam die lokale Überhitzung des Chips und verbessert die Lebensdauer.
  • Anwendung Keramiken:

    • Aluminiumnitrid (AlN)
    • Siliziumnitrid (Si₃N₄)
    • Tonerde-Keramik
  • Anwendungsfälle:

    • Keramikdichtung für das Wärmemanagement von Leistungsbatterien: AlN-Keramik wird für Abstandshalter von Batteriemodulen verwendet, um Wärme schnell zu leiten und einen thermischen Durchschlag zu verhindern.
    • Substrat für Leistungsmodule von elektrischen Steuerungssystemen: wird für die Wärmeableitungsbasis von SiC-MOSFET-Modulen verwendet, um die Effizienz der Systemkühlung zu verbessern.
    • Keramiklager für elektrische Antriebssysteme: Si₃N₄ hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolationseigenschaften und wird häufig in Motorlagern verwendet, um den Energieverbrauch und den Temperaturanstieg zu reduzieren.
  • Anwendung Keramiken:

    • Siliziumnitrid (Si₃N₄)
    • Aluminiumnitrid (AlN)
    • Berylliumoxid (BeO)
  • Anwendungsfälle:

    • Thermische Isolierung/wärmeleitende keramische Komponenten von Raketenantriebssystemen: wie z.B. Düsenbuchsen und Hochgeschwindigkeitsgasleitungen, Si₃N₄ hat sowohl Hitzebeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Schlagfestigkeit.
    • Basis für die Wärmeableitung von elektronischen Satellitenkomponenten: Verwenden Sie BeO oder AlN für eine effiziente Wärmeableitung, um eine stabile Betriebstemperatur der elektronischen Module für die Luft- und Raumfahrt zu gewährleisten.
    • Thermische Kontrolle von elektronischen Hochgeschwindigkeits-Flugzeuggeräten: AlN-Keramik wird zur Wärmeableitung von Leistungskomponenten in Flugsteuerungssystemen verwendet, um die Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.
  • Anwendung Keramiken:

    • Siliziumnitrid (Si₃N₄)
    • Siliziumkarbid (SiC)
    • Tonerde-Keramik
  • Anwendungsfälle:

    • Stahl-Schmelztemperaturfühler-Schutzhülse (Si₃N₄, SiC): Mit guter Wärmeleitfähigkeit und chemischer Korrosionsbeständigkeit kann sie Temperatursignale schnell übertragen und die Lebensdauer verlängern.
    • Thermischer Tiegel/Düse für Aluminiumschmelzen: Durch die Verwendung von Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. SiC) kann eine gleichmäßige Erwärmung erreicht und eine lokale Überhitzung vermieden werden.
    • Thermoelement-Schutzhülle: Die Keramikhülle mit hoher Wärmeleitfähigkeit reagiert schnell auf Temperaturänderungen, um die Genauigkeit der Schmelztemperaturregelung zu gewährleisten.

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Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Berylliumoxid (BeO) übertrifft die Oxidkeramik mit ~285 W/m-K und kommt damit der Leistung von Kupfer nahe, isoliert aber dennoch elektrisch.

Sie bieten eine hohe Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung - perfekt für die Wärmeableitung in PCBs, LEDs und Leistungshalbleitern.

Metalle wie Kupfer schlagen Keramiken (~400 gegenüber ~285 W/m-K), aber Keramiken sind korrosionsbeständig, leichter und leiten keinen Strom.

Schwerpunkt auf 2D h-BN-Laminaten, einkristallinem SiC (>490 W/m-K) und Verbundwerkstoffen (z. B. AlSiC), die auf die Anpassung der Wärmeausdehnung und hohe Leitfähigkeit zugeschnitten sind.