Top 10 der Keramikmaterialien mit der besten Wärmeleitfähigkeit

Mit der rasanten Entwicklung der modernen Industrie ist das Wärmemanagement zu einem entscheidenden Faktor für Produktleistung und -zuverlässigkeit geworden. Von Hochleistungsrechnern bis hin zu Luft- und Raumfahrtkomponenten ist die Auswahl effizienter wärmeleitender Materialien für diese High-End-Anwendungen zu einer unverzichtbaren Überlegung geworden.

Keramische Werkstoffe zeichnen sich aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaftskombination durch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit aus. Ihre Wärmeleitfähigkeit ist besser als die herkömmlicher Kunststoffe und sie bieten zudem eine hervorragende elektrische Isolationsleistung, die sich hervorragend für den Elektronikbereich eignet. Beispielsweise liegt die Wärmeleitfähigkeit gängiger Aluminiumnitrid-Keramikmaterialien (AlN) bei bis zu 180 W/mK und übertrifft damit herkömmliche technische Kunststoffe (0,2–0,4 W/mK) deutlich. Diese überlegene Kombination aus Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Isolationsleistung verleiht keramischen Werkstoffen eine unverzichtbare und wichtige Position in Anwendungen wie der Elektronikverpackung und Wärmeableitungssubstraten.

Sind Sie neugierig, welche 10 Keramikmaterialien die beste Wärmeleitfähigkeit aufweisen? Folgen Sie uns und lesen Sie weiter, um die Antwort zu erhalten.

Direktlinks

1. Was ist Wärmeleitfähigkeit?
2. Wärmeleitfähigkeitstabelle gängiger Keramikmaterialien
3. Die zehn keramischen Werkstoffe mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit
4. Wie wählt man das Keramikmaterial mit der besten Wärmeleitfähigkeit aus?
5. Anwendung keramischer Wärmeleitmaterialien

Was ist Wärmeleitfähigkeit?

Wärmeleitfähigkeit ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Materialien. Die Einheit ist Watt pro Meter Kelvin (W/mK). Dieser Leistungsindikator spiegelt die Stärke der Wärmeleitfähigkeit des Materials wider. Beachten Sie, dass die Wärmeleitfähigkeit von Keramikwerkstoffen nicht konstant ist. Sie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, wie beispielsweise dem Herstellungsprozess, der Materialreinheit, der Korngröße und der Betriebstemperatur. Diese Faktoren beeinflussen die endgültige Wärmeleitfähigkeit von Keramikwerkstoffen.

Wärmeleitfähigkeitstabelle gängiger Keramikmaterialien

In tatsächlichen Anwendungen kann die Wärmeleitfähigkeit von Materialien aufgrund von Reinheit, Kristallstruktur, Verarbeitungstechnologie und externen Umweltfaktoren leicht variieren.

Die zehn keramischen Werkstoffe mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit

Berylliumoxid (BeO)

Berylliumoxid zählt zu den keramischen Werkstoffen mit der derzeit besten Wärmeleitfähigkeit. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 184 und 300 W/mK und kommt damit der Wärmeleitfähigkeit einiger metallischer Werkstoffe sehr nahe. Die überlegene Wärmeleitfähigkeit beruht auf der einzigartigen Kristallstruktur und den starken kovalenten Bindungseigenschaften.

Berylliumoxid verfügt nicht nur über eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, sondern auch über elektrische Isolationseigenschaften und eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Seine Druckfestigkeit kann bis zu 245 MPa betragen und es weist eine gute Temperaturwechselbeständigkeit auf. Es ist eine wichtige Wärmemanagementkomponente für Satellitenkommunikationssysteme in der Luft- und Raumfahrt und eignet sich zudem hervorragend als Wärmeableitungssubstrat in Hochleistungs-HF-Geräten.

Berylliumoxid steht jedoch auch vor großen Herausforderungen. Die Rohstoffe sind giftig und müssen unter strengen Sicherheitsbedingungen hergestellt werden. Zudem ist der Produktionsprozess sehr komplex. Einige Faktoren haben zu hohen Produktionskosten geführt.

Aluminiumnitrid (AlN)

Aluminiumnitrid ist ein wärmeleitendes Keramikmaterial mit hervorragender Leistung. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 140 und 180 W/mK. Aluminiumnitrid, ein Keramikmaterial, hat in den letzten Jahren aufgrund seiner umfassenden überlegenen Leistung viel Aufmerksamkeit erregt.

Aluminiumnitrid bietet eine perfekte Kombination aus hervorragender Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Isolationsleistung. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ähnelt dem von Silizium-basierten Halbleitern (4,5 × 10^-6/K), was einen einzigartigen Vorteil im Bereich der elektronischen Verpackung darstellt. Seine hohe Wärmeleitfähigkeit kann zur Wärmeableitung von LED-Chips, Wärmeableitungssubstraten für Leistungsmodule, Hochfrequenzgeräten und hochintegrierten Schaltungen genutzt werden und kann die Lebensdauer dieser Geräte deutlich verbessern.

Siliziumkarbid (SiC)

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumkarbid liegt zwischen 120 und 180 W/mK. Es handelt sich um ein Hochleistungskeramikmaterial mit extrem breitem Anwendungsbereich und ist in vielen High-End-Bereichen unersetzlich.

Neben der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit verfügt Siliziumkarbid auch über eine hervorragende mechanische Festigkeit, eine Biegefestigkeit von > 400 MPa sowie eine extrem hohe Härte und gute Verschleißfestigkeit. In einigen industriellen Anwendungen wird Siliziumkarbid aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaftskombination häufig in Hochtemperatur-Wärmetauschern, Gleitringdichtungen, Lagern und Schneidwerkzeugen eingesetzt. Im Bereich der Elektronik ist es zudem ein sehr wichtiges Verpackungsmaterial.

Kupferaluminiumoxid (CuAlO2)

Kupferaluminiumoxid ist ein neuartiger Verbundwerkstoff aus Oxidkeramik. Seine Wärmeleitfähigkeit liegt im Bereich von 100–200 W/mK. Es verfügt über eine gute Wärme- und elektrische Leitfähigkeit und bietet für bestimmte Anwendungsfälle neue Lösungen.

In der Elektronikindustrie hat es aufgrund seiner doppelten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit Aufmerksamkeit erregt. Es kommt bei der Herstellung einiger thermoelektrischer Geräte und elektronischer Hochleistungskomponenten zum Einsatz.

Bornitrid (BN)

Bornitrid ist bekannt für seine einzigartige Schichtstruktur und seine variable Wärmeleitfähigkeit, die je nach Struktur zwischen 20 und 300 W/mK liegt. Hexagonales Bornitrid (h-BN) weist eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von bis zu 200–250 W/mK auf, während kubisches Bornitrid (c-BN) üblicherweise eine Wärmeleitfähigkeit von 30–70 W/mK aufweist.

Bornitrid weist eine ausgezeichnete Hochtemperaturstabilität, chemische Inertheit und Selbstschmierfähigkeit auf. Seine hervorragende elektrische Isolationsleistung und niedrige Dielektrizitätskonstante machen es zu einem hervorragenden Werkstoff für die Elektronik. Besonders hervorzuheben ist die Fähigkeit von Bornitrid, auch bei hohen Temperaturen eine stabile Wärmeleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, was für viele andere Materialien schwierig ist.

Bornitrid bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Wärmeleitfähigkeit. In der Luft- und Raumfahrtindustrie findet Bornitrid breite Anwendung in Hochtemperatur-Isolierkomponenten und Wärmemanagementsystemen. In der Elektronikindustrie eignet es sich zudem hervorragend als Wärmeableitungssubstrat und wärmeleitendes Grenzflächenmaterial.

Titandiborid (TiB2)

Die Wärmeleitfähigkeit von Titandiborid liegt im Bereich von 60–70 W/mK. Obwohl es unter vielen Keramikmaterialien nicht die höchste ist, verleiht ihm seine einzigartige Kombination von Eigenschaften einen wichtigen Anwendungswert in bestimmten Bereichen.

In industriellen Anwendungen wird Titandiborid hauptsächlich in Hochtemperatur-Metallschmelzverarbeitungsanlagen, Schneidwerkzeugen und verschleißfesten Teilen verwendet.

Magnesiumoxid (MgO)

Die Wärmeleitfähigkeit von Magnesiumoxid liegt im Bereich von 40–60 W/mK. Es ist ein kostengünstiges wärmeleitendes Keramikmaterial, das elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit vereint. In der Elektronik ist Magnesiumoxid ein sehr gut isolierendes und wärmeableitendes Material. Darüber hinaus wird es häufig in feuerfesten Materialien und Wärmemanagementkomponenten verwendet.

Siliziumnitrid (Si3N4)

Die Wärmeleitfähigkeit von Siliziumnitrid liegt im Bereich von 20–70 W/mK. Es verfügt jedoch über hervorragende mechanische Eigenschaften und eine hohe Thermoschockstabilität und ist für bestimmte Anwendungen unverzichtbar. Seine extrem hohe Festigkeit und Zähigkeit ermöglichen eine gute Leistung in Hochtemperaturumgebungen. In Hochtemperatur-Elektronikanwendungen wird es häufig als Verpackungsmaterial und Wärmeableitungskomponente eingesetzt. Darüber hinaus eignet es sich auch hervorragend für Motor- und Getriebekomponenten in der Automobilindustrie.

Aluminiumoxid (Al2O3)

Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid ist im Vergleich zu den bisherigen Keramikmaterialien relativ niedrig und liegt zwischen 20 und 50 W/mK, aber aufgrund seiner hervorragenden Kosteneffizienz und stabilen Leistung nimmt es in einigen Branchen auch eine sehr wichtige Position ein.

Im Bereich der elektronischen Verpackung hat sich Aluminiumoxidkeramik aufgrund ihrer guten Isolationseigenschaften, der moderaten Wärmeleitfähigkeit und des moderaten Preises zum bevorzugten Verpackungsmaterial für elektronische Geräte mittlerer und niedriger Leistung entwickelt. Aluminiumoxid weist eine gute Bindung zu Metallen auf und eignet sich sehr gut zur Herstellung metallisierter Keramiksubstrate.

Zirkoniumcarbid (ZrC)

Zirkoniumcarbid ist ein ultrahochtemperaturbeständiger Keramikwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von 20–40 W/mK. Die herausragendsten Eigenschaften dieses Materials sind sein extrem hoher Schmelzpunkt (über 3500 °C) und seine hervorragende Oxidationsbeständigkeit. In bestimmten Umgebungen mit ultrahohen Temperaturen weist Zirkoniumcarbid eine ausgezeichnete thermische Stabilität und mechanische Festigkeit auf. In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird Zirkoniumcarbid beispielsweise aufgrund seiner hervorragenden Oxidationsbeständigkeit und thermischen Stabilität zur Herstellung von Komponenten für Wärmeschutzsysteme und Antriebssysteme verwendet.

Wie wählt man das Keramikmaterial mit der besten Wärmeleitfähigkeit aus?

Bei der Auswahl des besten wärmeleitenden Keramikmaterials sollten Sie eine umfassende Datenvergleichsanalyse durchführen.

Laut maßgeblicher Forschung werden Berylliumoxid (BeO) und Aluminiumnitrid (AlN) hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit führend sein. Die höchste Wärmeleitfähigkeit von Berylliumoxid kann 300 W/mK erreichen, dicht gefolgt von Aluminiumnitrid mit extrem hoher Reinheit von 200 W/mK. Diese beiden Materialien nehmen in einigen High-End-Anwendungen der elektronischen Verpackung eine sehr wichtige Position ein.

Wenn Sie ein Keramikmaterial mit hohem Preis-Leistungs-Verhältnis benötigen, müssen Sie es separat analysieren. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumoxid relativ gering ist, sind seine Kosten um ein Vielfaches geringer als die von Aluminiumnitrid, was es für einige Anwendungen im unteren und mittleren Preissegment vorteilhafter macht. Siliziumnitrid und Siliziumkarbid bieten ein besseres Verhältnis zwischen Leistung und Kosten und eignen sich aufgrund höherer mechanischer Eigenschaften für bestimmte Anwendungen besser.

Laut Temperaturabhängigkeitsanalyse nimmt die Wärmeleitfähigkeit der meisten Keramikwerkstoffe mit steigender Temperatur ab. Beispielsweise verringert sich die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid zwischen Raumtemperatur und 100 °C um etwa 10-15%. Im Gegensatz dazu ist der Leistungsabfall von Siliziumkarbid in Hochtemperaturumgebungen relativ gering. In einigen Hochtemperaturanwendungen bietet der Einsatz von Siliziumkarbid größere Vorteile.

Anwendung keramischer Wärmeleitmaterialien

Elektronik- und Halbleiterindustrie

Keramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Aluminiumnitrid und Siliziumkarbid, werden häufig in elektronischen Gehäusen und Wärmeableitungssubstraten eingesetzt. Sie können Wärme schnell von elektronischen Bauteilen ableiten und so deren Überhitzung und damit verbundene Leistungseinbußen und Schäden verhindern.
Unter ihnen haben sich Aluminiumnitridsubstrate aufgrund ihrer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu idealen Substratmaterialien für Halbleiterlaser und LED-Wärmeableitungsmodule entwickelt.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt stellt extrem hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Materialien. In einigen Flugzeugtriebwerken und Raumfahrzeugen können Siliziumkarbidkeramiken aufgrund ihrer Wärmeleitfähigkeit und Hochtemperaturstabilität zu Düsen und Wärmetauschern verarbeitet werden. Diese Materialien können Wärme bei extremen Temperaturen schnell leiten und ableiten und so die Betriebsstabilität der Geräte verbessern.

Hochtemperatur-Wärmetauscher und Energiespargeräte

Keramische Wärmetauscher sind wichtige Komponenten in der chemischen und metallurgischen Industrie. Der Einsatz von keramischen Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Siliziumkarbid kann die Wärmeaustauscheffizienz verbessern und Energieverluste reduzieren.

Photovoltaik und neue Energiefelder

In Photovoltaikmodulen können Keramiksubstrate in verschiedenen Wärmemanagementschichten eingesetzt werden, um die photoelektrische Umwandlungseffizienz zu verbessern. Im Bereich der erneuerbaren Energien kann der Einsatz wärmeleitender Keramiken ebenfalls dazu beitragen, das Wärmemanagement von Batterien zu verbessern und deren Lebensdauer zu verlängern.

Haushaltsgeräte und elektronische Produkte des täglichen Bedarfs

Wärmeleitende Keramikfolien können in einer Vielzahl alltäglicher Bedarfsgegenstände verwendet werden, beispielsweise in Hochleistungs-LED-Leuchten und Kühlkomponenten für Mobiltelefone, die die Temperatur des Geräts schnell senken können.

Medizinische Geräte

Bei Ultraschallsonden und einigen hochpräzisen medizinischen Geräten kann die hohe Wärmeleitfähigkeit von Keramikmaterialien in Kombination mit elektrischer Isolierung die Stabilität und Sicherheit der Geräteleistung gewährleisten.

Abschluss

Die Wahl des besten keramischen Wärmeleitmaterials erfordert eine umfassende Berücksichtigung verschiedener Faktoren. Vielen Dank für die Lektüre dieses Artikels. Ich hoffe, er hilft Ihnen weiter.

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