Top 10 der keramischen Materialien für das Wärmemanagement

Was ist Wärmeleitfähigkeit?

DieWärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut ein Material die Wärme leitet. Einfach ausgedrückt, zeigt sie an, wie schnell Wärme durch einen Stoff fließt. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass die Wärme schnell fließt. Eine niedrige Wärmeleitfähigkeit bedeutet, dass das Material die Wärme besser hält. Diese Eigenschaft ist wichtig. Sie wirkt sich darauf aus, wie Materialien in der Technik und in alltäglichen Geräten verwendet werden. Ingenieure achten oft auf die Wärmeleitfähigkeit, wenn sie Materialien für Elektronik- oder Motorkomponenten auswählen.

Wärmeleitfähigkeitstabelle für gängige keramische Werkstoffe

Nachstehend finden Sie eine einfache Tabelle, in der einige gängige keramische Werk stoffe und ihre Wärmeleitfähigkeit aufgeführt sind. Diese Zahlen sind Näherungswerte und können je nach Reinheit und Herstellungsmethode variieren.

Bei diesen Werten handelt es sich um Durchschnittswerte, die unter Laborbedingungen gemessen wurden. Die tatsächlichen Werte hängen von Faktoren wie Verarbeitung und Struktur ab.

Top 10 der keramischen Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit

Schauen wir uns nun die keramischen Werkstoffe an, die die beste Wärmeleitfähigkeit aufweisen.

1 Berylliumoxid - 200-250 W/m-K

Berylliumoxid zeichnet sich durch eine Wärmeleitfähigkeit von 200-250 W/m-K aus. Es wird in keramischen Hochleistungsisolatoren verwendet. Ingenieure bevorzugen es wegen seiner Wärmeableitungseigenschaften für elektronische Gehäuse.

2) Aluminiumnitrid - 140-180 W/m-K

Aluminiumnitrid eignet sich gut für das Wärmemanagement. Seine Wärmeleitfähigkeit beträgt 140-180 W/m-K. Es ist für Hochleistungselektronik geeignet. Es wird auch in Kühlkörpern und Substraten verwendet.

3 Siliziumkarbid - 70-120 W/m-K

Siliziumkarbid ist bekannt für eine Leitfähigkeit von 70-120 W/m-K. Es hat auch eine gute mechanische Festigkeit. Das Material wird häufig in Hochtemperaturumgebungen, wie z. B. in Industrieöfen, eingesetzt.

4 Magnesiumoxid - 40-60 W/m-K

Magnesiumoxid leitet Wärme mit einer Rate von 40-60 W/m-K. Es wird häufig in feuerfesten Anwendungen und als Isoliermaterial für Öfen verwendet.

5 Titandiborid - 40-60 W/m-K

Titandiborid hat eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 40-60 W/m-K. Es wird dort eingesetzt, wo sowohl eine hohe Festigkeit als auch eine gute Wärmeleitung erforderlich sind. Beispiele sind Panzersysteme und Heizelemente.

6. hexagonales Bornitrid - 30-60 W/m-K

Hexagonales Bornitrid mit einem Leitfähigkeitsbereich von 30-60 W/m-K wird wegen seiner stabilen Leistung auch bei hohen Temperaturen geschätzt. Es fungiert auch als elektrischer Isolator, was in der Elektronik von Vorteil ist.

7 Tonerde (Aluminiumoxid) - 20-35 W/m-K

Normale Tonerde hat eine Wärmeleitfähigkeit von 20-35 W/m-K. Es ist reichlich vorhanden und kostengünstig. Aus Aluminiumoxid hergestellte Komponenten werden in verschiedene Wärmemanagementsysteme integriert.

8 Siliziumnitrid - 20-30 W/m-K

Siliziumnitrid bietet eine Leitfähigkeit von 20-30 W/m-K. Obwohl es nicht die höchste ist, bietet es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Festigkeit, Haltbarkeit und Wärmemanagement. Es eignet sich gut für Kfz-Motorenteile.

9 Kordierit - 3-4 W/m-K

Obwohl Cordierit im Vergleich zu den anderen Materialien in dieser Liste eine geringere Wärmeleitfähigkeit (3-4 W/m-K) aufweist, eignet es sich aufgrund seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ideal für thermoschockbeständige Anwendungen.

10. Zirkoniumdioxid (stabilisiert) - 2-3 W/m-K

Stabilisiertes Zirkoniumdioxid hat keine hohe Wärmeleitfähigkeit (2-3 W/m-K). In einigen Anwendungen ist es jedoch aufgrund seiner einzigartigen Wärmeausdehnungseigenschaften nützlich. Dies ist bei einigen Hochtemperatursystemen, die eine minimale Verformung erfordern, von entscheidender Bedeutung.

Die fünf hier aufgeführten Materialien (Berylliumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid, Magnesiumoxid und Titandiborid) bieten die beste Wärmeleitfähigkeit. Die übrigen bieten nützliche Eigenschaften, wenn thermische Stabilität oder Kostenaspekte berücksichtigt werden.

Anwendungen von wärmeleitenden keramischen Werkstoffen

Wärmeleitende Keramiken sind vielseitig einsetzbar.

Sie werden in der Elektronik eingesetzt, wo die Wärme von Mikroprozessoren abgeleitet werden muss. Aluminiumnitrid und Berylliumoxid werden häufig in Leiterplatten und Gehäuse für Chips eingesetzt. In der Leistungselektronik kann die richtige Wärmeableitung die Lebensdauer der Geräte verlängern.

In industriellen Hochtemperaturumgebungen leisten Siliziumkarbid und Magnesiumoxid gute Dienste. Man findet sie in Heizelementen, Ofenkomponenten und Ofenauskleidungen. In Motoren und Automobilteilen wird manchmal Siliziumnitrid verwendet, weil es ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit aufweist.

Auch in der Luft- und Raumfahrt spielen Keramiken eine Rolle. Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohen Wärmebelastungen standzuhalten, sind sie ideal für Komponenten in Düsentriebwerken und Raumfahrzeugen. Die Materialien halten die Temperaturen unter Kontrolle, so dass empfindliche Instrumente sicher betrieben werden können.

Einige medizinische Geräte profitieren von Keramiken. Ihre Biokompatibilität und kontrollierte Wärmeleitung eignen sich für implantierbare Geräte und Diagnoseeinrichtungen. Darüber hinaus helfen Materialien wie hexagonales Bornitrid bei der Wärmekontrolle in Lasersystemen und Hochleistungslampen.

In industriellen Wärmetauschern werden manchmal keramische Verbundwerkstoffe verwendet. Diese Mischungen sind so konzipiert, dass sie auch bei hohen Temperaturen ihre Form behalten und gleichzeitig eine zuverlässige Wärmeableitung gewährleisten. Die Wahl des Materials hängt von der thermischen Belastung, der erforderlichen mechanischen Festigkeit und den Kostenbeschränkungen ab.

Schlussfolgerung

Wärmeleitende Keramiken spielen in der modernen Technik eine wichtige Rolle. Ihre Fähigkeit, Wärme effizient abzuführen, ist in der Elektronik, Industrie, Luft- und Raumfahrt und Medizin von entscheidender Bedeutung. Materialien wie Berylliumoxid, Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid führen die Liste der Hochleistungsmaterialien an. Andere Keramiken bieten Vorteile wie Haltbarkeit, geringe Wärmeausdehnung und Kosteneffizienz.

Häufig gestellte Fragen

F: Warum ist die Wärmeleitfähigkeit bei Keramik wichtig?
F: Sie wirkt sich auf die Leistung des Materials in der Elektronik und bei Hochtemperaturanwendungen aus, da sie die Wärme effizient überträgt.

F: Wie wird die Wärmeleitfähigkeit gemessen?
F: Sie wird in Watt pro Meter-Kelvin unter Verwendung einer kontrollierten Temperaturdifferenz und eines Wärmestroms gemessen.

F: Für welche Anwendungen werden Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet?
F: Sie werden in der Elektronik, in industriellen Heizelementen, in Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und in medizinischen Geräten verwendet.