Top 10 der wärmeleitenden Materialien

Einführung

In der modernen Technik ist die Wärmeleitung für die Kontrolle der Wärme in Geräten und Maschinen unerlässlich. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeitleiten Wärme effizient weiter und verbessern so Leistung und Zuverlässigkeit. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über zehn bemerkenswerte Materialien, beginnend mit den leitfähigsten.

1. Graphen (in-plane) (~5000 W/m-K, 3000°C)

Ganz oben auf der Liste steht Graphen, ein einzelnes Molekül aus Kohlenstoffatomen. Aufgrund seiner unübertroffenen Wärmeleitfähigkeit in der Ebene eignet es sich gut für Mikrochips, flexible Elektronik und thermische Proof-of-Concept-Systeme. Graphen, das in der Forschung etwas ins Stocken geraten ist, kann eine Kraft für revolutionäre Verbesserungen in der Hochleistungselektronik sein.

2. Diamant (~2200 W/m-K, 2000°C)

Diamant bietet eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Härte. Diamant wird häufig in Hochleistungsschneidwerkzeugen, Laser-Wärmeableitern und Kühlkörpern für die Luft- und Raumfahrt eingesetzt, wenn eine hohe Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen erforderlich ist.

3. Silber (~430 W/m-K)

Silber ist der beste metallische Wärmeleiter. Es wird in Leiterplatten, Wärmeleitpasten und Wärmetauschern verwendet. Silber leitet die Wärme gut von der Elektronik weg, ist aber für große thermische Anwendungen zu teuer.

4. Graphit (in der Ebene) (~400 W/m-K, 150°C)

Graphit bietet eine hervorragende Leitfähigkeit in der Ebene zu einem Bruchteil der Kosten von Diamant oder Silber. Die planare Struktur von Graphit sorgt für eine gute Wärmeverteilung in Batterien, Schmiermitteln und elektronischen Wärmeübertragern.

5. Hexagonales Bornitrid (h-BN, in-plane) (~400 W/m-K, 250°C)

h-BN ist insofern ungewöhnlich, als es sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine elektrische Isolierung aufweist. Es wird in der Hochtemperaturisolierung, in Flüssigkeitskühlsystemen und in der Halbleiterverpackung verwendet.

6. Kupfer (~400 W/m-K)

Kupfer stellt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Preis und Leistung dar. Es ist ein universeller Wärmeleiter, der sowohl elektrisch als auch mechanisch verwendet wird, und wird für Verkabelungen, Rohrleitungen und Kühlanwendungen eingesetzt.

7. Silber-Diamant-Verbundwerkstoffe (~1000 W/m-K, 600°C)

Ein Verbundwerkstoff aus Silber und Diamant wird von Ingenieuren hergestellt, um eine hohe Leitfähigkeit und einen Hochtemperaturbetrieb zu erreichen. Er wird in der Luft- und Raumfahrtelektronik und in Verteidigungssystemen verwendet, wo sowohl Metall- als auch Diamanteigenschaften erforderlich sind.

8. Siliziumkarbid (SiC) (~270 W/m-K, 120°C)

SiC wird wegen seiner Widerstandsfähigkeit gegen Spannungen und seiner Wärmeleitfähigkeit geschätzt. Es wird in der Hochleistungselektronik, bei keramischen Bauteilen und in Systemen verwendet, die Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit erfordern.

9. Aluminium (~205 W/m-K)

Aluminium ist korrosionsbeständig, leicht und einfach herzustellen. Es wird in der Automobil-, Kühler- und Unterhaltungselektronik verwendet und bietet eine angemessene Leitfähigkeit für Anwendungen, bei denen das Gewicht eine Rolle spielt.

10. Aluminiumnitrid (AlN) (~180 W/m-K, 140°C)

AlN bietet eine erstklassige Wärmeleitfähigkeit mit elektrischer Isolierung und eignet sich daher für die Mikroelektronik, Hochfrequenzschaltungen und das Wärmemanagement in dünner Schichtdicke.

Zusammenfassende Tabelle

Weitere spezifische Daten und technische Unterstützung erhalten Sie bei Stanford Advanced Materials (SAM).

Schlussfolgerung

Von der bahnbrechenden Leitfähigkeit von Graphen in der Ebene bis zur Kombination von Isolierung und Wärmeleitung durch Aluminiumnitrid erfüllen diese Materialien ein breites Spektrum an technischen Spezifikationen. Die Auswahl des geeigneten Materials hängt vom Temperaturbereich, den elektrischen Eigenschaften, den Kosten und den spezifischen Leistungsanforderungen ab.

Häufig gestellte Fragen

F: Warum hat ein Material eine Wärmeleitfähigkeit?

F: Die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten, wird durch die atomare Bindung und die Struktur beeinflusst.

F: Wie wird eine hohe Wärmeleitfähigkeit in der Elektronik genutzt?

F: Sie hilft bei der Ableitung überschüssiger Wärme, schützt vor Komponenten und erhält den Betrieb des Geräts aufrecht.

F: Werden diese Materialien unter extremen Temperaturbedingungen eingesetzt?

F: Ja, viele von ihnen funktionieren auch bei hohen Temperaturen recht gut und gewährleisten Zuverlässigkeit in schwierigen Umgebungen.