Was ist Wärmeleitfähigkeit?
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie effizient Wärme durch ein Material fließt. In den meisten Fällen ist diese Eigenschaft entscheidend für die Ableitung von Wärme aus Hochtemperaturzonen , beispielsweise bei der Kühlung von LEDs, wo die Wärme abgeführt werden muss, ohne dass die elektrische Isolierung beeinträchtigt wird. Keramiken mit höherer Wärmeleitfähigkeit sind daher eine ideale Lösung .
Umgekehrt können keramische Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden, um den Wärmefluss zu verringern.
Warum Keramik zur Wärmeleitfähigkeit verwenden?
Hochleistungskeramiken gewinnen in Branchen an Bedeutung, in denen eine hohe Wärmeleitfähigkeit in Kombination mit elektrischer Isolierung erforderlich ist. Aluminiumnitridkeramik hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 230 W/mK , Bornitrid von bis zu 130 W/mK und das bearbeitbare Material Shapal Hi M Soft von 92 W/mK . Oxidkeramiken sind kostengünstig und weit verbreitet. Sie bieten typischerweise eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 26 und 30 W/mK . Metalle wie Kupfer (~400 W/mK) und Aluminium (150–240 W/mK) weisen eine hohe Leitfähigkeit auf, sind aber elektrisch leitfähig.
In diesem Video erläutert Professor Jon Binner die üblicherweise zur Wärmedämmung verwendeten Materialien und ihre unterschiedlichen Werte.
Keramische Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Aluminiumnitrid (AlN) - CeramAlum™
- Wärmeleitfähigkeit: 230 W/mK
- Hauptmerkmale: Hochleistungsqualität, die mechanische Festigkeit und außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit kombiniert.
- Am besten geeignet für: Wärmemanagementanwendungen mit hohen Anforderungen.
Aluminiumnitrid (AlN) - CeramAlum™ PCAN2000 / 4000
- Wärmeleitfähigkeit: 200 W/mK
- Hauptmerkmale: Hochwertige AIN-Materialien, die Haltbarkeit und Wärmeleitung ausbalancieren.
- Am besten geeignet für: Anwendungen, die eine zuverlässige, effiziente Wärmeableitung erfordern.
Aluminiumnitrid (AlN) - CeramAlum™ PCAN1000
- Wärmeleitfähigkeit: 170 W/mK
- Hauptmerkmale: Standardmäßiges hochreines AIN mit Skalierbarkeit in Größe und Dicke (bis zu 30 mm).
- Am besten geeignet für: Umfangreiche thermische Anwendungen, die größere Keramikteile erfordern.
Bornitrid (BN)
- Wärmeleitfähigkeit: 120 W/mK
- Hauptmerkmale: Guter elektrischer Isolator mit hoher thermischer Effizienz.
- Am besten geeignet für: Spezialanwendungen mit empfindlicher Elektronik.
Keramische Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit
Macor® - Bearbeitbare Glaskeramik
- Wärmeleitfähigkeit: 1,46 W/mK
- Hauptmerkmale: Hybrid-Glaskeramik mit Bearbeitbarkeit und hoher elektrischer Isolierung. Vollständig dicht und UHV-kompatibel.
- Am besten geeignet für: Anwendungen, die eine geringe Wärmeleitung, elektrische Isolierung und einfache Bearbeitung erfordern.
Zirconia (ZrO2) - CeramaZirc™ 3YZ
- Wärmeleitfähigkeit: 2 W/mK
- Hauptmerkmale: Hohe Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und strukturelle Flexibilität.
- Am besten geeignet für: Hochfeste Anwendungen mit minimalem Bedarf an Wärmeleitfähigkeit.
Zirkonia (ZrO2) - CeramaZirc™ Ultra Tough
- Wärmeleitfähigkeit: 3 W/mK
- Hauptmerkmale: Verbundwerkstoff mit teilweise stabilisierten Zirkonoxid- und Aluminiumoxidplättchen für verbesserte Zähigkeit.
- Am besten geeignet für: Robuste Anwendungen, die mechanische Belastbarkeit und geringe Wärmeübertragung erfordern.
Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit von Keramik
- Qualität und Reinheit des Materials
- Betriebstemperaturbereich
- Materialschnittstellen und -verbindungen
- Passive vs. aktive Kühlsysteme
Diese Variablen haben großen Einfluss auf die Effizienz der Wärmeübertragung, insbesondere bei Baugruppen aus mehreren Materialien , bei denen es zu Schnittstellenverlusten kommt.
Welche Materialien können als Wärmebarrieren verwendet werden?
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Ganz gleich, ob Sie in den Bereichen Elektronik, Luft- und Raumfahrt oder industrielles Wärmemanagement arbeiten: Hochleistungskeramiken wie Aluminiumnitrid und Bornitrid bieten außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit, mechanische Festigkeit und elektrische Isolierung und sind daher ideal für Hochleistungsanwendungen.
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Vergleichstabelle für Keramik Materialien
Häufig gestellte Fragen
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Welche Anwendungen erfordern möglicherweise Wärmedämmungs- oder Wärmeleitungseigenschaften?
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit spielen eine entscheidende Rolle bei der Vermeidung von Überhitzung in Öfen, industriellen Prozesssystemen, der Luft- und Raumfahrt und der Elektronik. Entdecken Sie, warum eine effiziente Wärmeübertragung der Schlüssel zum reibungslosen und zuverlässigen Betrieb elektronischer Geräte ist.
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Warum wird Aluminiumnitrid für thermische Anwendungen bevorzugt?
Es bietet eine hervorragende Wärmeleitung (bis zu 230 W/mK) bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der elektrischen Isolierung.
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Können keramische Werkstoffe hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit mit Metallen konkurrieren?
Obwohl Keramiken wie AlN eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind sie gegenüber Metallen immer noch besser . Keramiken bieten jedoch auch elektrische Isolierung und chemische Stabilität .
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Was begrenzt die Wärmeleitfähigkeit von Keramik?
Korngrenzen, Verunreinigungen, Porosität und Materialgrenzflächen .
Ähnliche Eigenschaften
Maximale Temperatur
Hochleistungskeramik ist bekannt für ihre hitzebeständigen Eigenschaften, bei denen sie erst bei Temperaturen um 2000℃ zu schmelzen beginnt. Im Vergleich zu herkömmlichen keramischen Materialien wie Kacheln oder Ziegeln beginnen sie bei Temperaturen um 650℃ zu schmelzen.
Thermische Ausdehnung
Hochleistungskeramik hat im Allgemeinen einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der angibt, wie sehr sich ein Material bei einem Temperaturanstieg ausdehnt. Wenn die meisten Materialien erhitzt werden, dehnen sie sich aufgrund ihrer atomaren Struktur aus. Aufgrund der atomaren Zusammensetzung von Keramik sind sie in der Lage, über einen größeren Temperaturbereich hinweg stabil zu bleiben.