Wärmeleitfähigkeit von Keramik: Vielseitig nutzbar
Die Wärmeleitfähigkeit technischer Keramik ist nicht einheitlich, sondern variiert stark je nach Zusammensetzung und Struktur des Materials. Im Gegensatz zu Metallen, die in der Regel sehr gute Wärmeleiter sind, ist die Wärmeleitfähigkeit von Keramik vielseitig. Dies ist einer der Gründe für die steigende Beliebtheit technischer Keramik und die wachsende Vielfalt ihrer Verwendung.
Hintergrund: Die Wärmeleitfähigkeit ist die Eigenschaft eines Materials, die eine Aussage darüber zulässt, wie schnell Wärme durch ein Material fließt, wenn ein Temperaturunterschied vorliegt. An der Wärmeleitung lässt sich ablesen, ob ein Stoff Wärme gut leitet oder – im Gegensatz dazu – als Wärmedämmer geeignet ist:
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- Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit, desto besser die Wärmedämmung.
- Bei steigender Temperatur nimmt die Wärmeleitfähigkeit von Materialien häufig zu. Keramik bildet hier jedoch häufig eine Ausnahme. Die Temperaturabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit ist tatsächlich stark vom jeweiligen keramischen Material abhängig.
- Der Wärmeleitkoeffizient von Keramik ist im Allgemeinen niedrig. Der Wärmeausdehnungskoeffizient gibt an, wie sehr sich ein Material bei einem Temperaturanstieg ausdehnt.
- Die Einheit der Wärmeleitfähigkeit wird in W/(m·K) angegeben; sie kann durch die Division des Wärmestroms (in Watt) durch das Produkt aus Temperaturdifferenz (in Kelvin), Fläche (in Quadratmetern) und Dicke (in Metern) berechnet werden.
Leitfähigkeit hoch oder niedrig? Keramische Stoffe bieten beides
Die Variabilität des Materials prädestiniert technische Keramik für die verschiedensten Anwendungen. Dazu kommt noch ihr sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis und diverse weitere interessante Materialeigenschaften wie Härte, Reinheit, Temperaturbeständigkeit und vieles mehr.
Hochleistungskeramik mit niedriger thermischer Leitfähigkeit
Viele keramische Materialien weisen eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit auf. Diese Eigenschaft macht sie zu hervorragenden Wärmedämmstoffen. Beispiele hierfür sind etwa Macor ® mit einem Wärmeleitwert von etwa 1,46 W/mK und Zirconia (ZrO2) mit einem Wärmeleitwert von 2 W/mK bis 3 W/mK.
Macor® tritt aufgrund seiner niedrigen Wärmeleitfähigkeit häufig als Isolator in Erscheinung und wenn eine geringe Wärmeübertragung gewünscht ist. Zirconia findet aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit und seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften dann Anwendung, wenn eine gewisse Wärmeübertragung erwünscht ist oder hohe Temperaturen und Belastungen auftreten.
Beispiele für die Anwendung
Macor®
Elektronik:
- Isolierungen: Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Macor® hervorragend als Isolator für elektronische Bauteile, um Überhitzung zu vermeiden.
- Träger für elektronische Bauteile: Macor® wird häufig als Trägermaterial für empfindliche elektronische Bauteile verwendet, da es eine gute thermische Isolation bietet und gleichzeitig eine hohe mechanische Festigkeit besitzt.
Optik:
- Laserkomponenten: Macor® wird in der Optikindustrie für die Herstellung von Laserkomponenten genutzt, da es eine gute thermische Stabilität und eine hohe Präzision ermöglicht.
Chemische Industrie:
- Behälter und Rohrleitungen: Aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und seiner geringen Wärmeleitfähigkeit wird Macor® für die Herstellung von Behältern und Rohrleitungen in der chemischen Industrie eingesetzt.
Zirconia (ZrO2) – auch Zirkoniumdioxid bzw. Zirkonoxid
Hochtemperatur-Anwendungen:
- Ofenauskleidungen: Zirconia wird aufgrund seiner hohen Schmelztemperatur und seiner guten Beständigkeit gegen thermische Schocks häufig für Ofenauskleidungen verwendet.
- Düsenteile: In Gasturbinen und Raketenmotoren kommen Zirconia-Keramiken aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und Verschleißfestigkeit für Düsenteile zum Einsatz.
Biomedizin:
- Implantate: Zirconia wird aufgrund seiner Biokompatibilität und seiner hohen Festigkeit für die Herstellung von Zahnimplantaten und anderen medizinischen Implantaten genutzt.
Sensorik:
- Temperatursensoren: Aufgrund seiner spezifischen thermischen Leitfähigkeit und seiner hohen Stabilität wird Zirconia für die Herstellung von Temperatursensoren eingesetzt.
Hochleistungskeramik mit hoher thermischer Leitfähigkeit
Daneben existieren technische Keramiken mit einer sehr hohen Wärmeleitfähigkeit. Diese Werkstoffe finden Verwendung, wenn eine schnelle Wärmeableitung gewünscht ist. Beispiele hierfür sind Siliciumcarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN) mit Wärmeleitwerten zwischen 170 bis zu 490 W/mK. Mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit bei einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten und hoher Festigkeit punktet ebenfalls die Keramik SHAPAL™ Hi M Soft.
Beispiele für die Anwendung
Siliciumcarbid SiC (Carborundum)
Halbleiterindustrie:
- Leistungselektronik: SiC wird als Halbleitermaterial für leistungsstarke Transistoren und Dioden eingesetzt, die in Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen und der Energieübertragung zum Einsatz kommen.
- Sensoren: SiC-basierte Sensoren finden Anwendung in der Temperaturmessung und der Druckmessung unter extremen Bedingungen.
Mechanische Anwendungen:
- Schneidwerkzeuge: Aufgrund seiner hohen Härte wird SiC für die Herstellung von Schleifmitteln, Sägeblättern und anderen Schneidwerkzeugen eingesetzt.
- Bremsbeläge: SiC-Fasern werden in Bremsbelägen für Hochleistungsbremsen verwendet, um eine hohe Bremsleistung und eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.
Aluminiumnitrid (AlN)
Elektronik:
- Wärmeleitplatten: AlN-Wärmeleitplatten werden zur Kühlung von Hochleistungs-Elektronikbauteilen wie Prozessoren und Leistungsmodulen eingesetzt.
- Substratmaterialien: AlN wird als Substratmaterial für Hochfrequenz-Schaltungen und -Bauelemente verwendet, da es eine geringe Dielektrizitätskonstante und geringe Verluste bietet.
Optik:
- Laserkomponenten: AlN wird für die Herstellung von Laserdioden und optischen Filtern verwendet, da es eine hohe thermische Leitfähigkeit und eine gute Transparenz im sichtbaren und ultravioletten Bereich besitzt.
Sensorik:
- Temperatursensoren: Aluminium-Nitrid-basierte Temperatursensoren finden Anwendung in der Industrie und in der Medizintechnik.
Keramik mit variabler Wärmeleitfähigkeit
Bornitrid, ein Mitglied der vielseitigen Familie der technischen Keramiken, zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination von Eigenschaften aus. Als Werkstoff besticht es durch seine hohe Temperaturbeständigkeit, seine exzellente chemische Inertheit und seine hervorragende Gleitfähigkeit. Besonders bemerkenswert ist seine Wärmeleitfähigkeit, die in Abhängigkeit von seiner kristallinen Struktur variiert. Während die hexagonale Modifikation eher wie Graphit wirkt und als Schmierstoff eingesetzt wird, ist die kubische Form eine der härtesten Substanzen nach dem Diamanten und findet Anwendung in hochbeanspruchten Werkzeugen.
Die Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid spielt eine entscheidende Rolle für seine Einsatzgebiete. Hoch wärmeleitfähige Bornitrid-Sorten werden beispielsweise in der Elektronikindustrie zur Kühlung von Hochleistungschips eingesetzt. Im Vergleich zu vielen anderen Werkstoffen, wie Kunststoffen oder Metallen, weist Bornitrid eine geringe thermische Ausdehnung auf. Diese Eigenschaft macht es zu einem idealen Material für Anwendungen, bei denen große Temperaturunterschiede auftreten.
Bornitrid in Kombination mit Kunststoff
Durch die Zugabe von Bornitrid-Partikeln zu Kunststoffen lassen sich deren Eigenschaften maßgeblich verbessern. So entstehen wärmeleitfähige Kunststoffe, die in der Elektronikindustrie zur Kühlung von Bauteilen eingesetzt werden. Bornitrid-gefüllte Kunststoffe bieten eine einzigartige Kombination aus elektrischer Isolation und hoher Wärmeleitfähigkeit. Diese vielseitigen Werkstoffe können sowohl Metalle als auch andere Verbundwerkstoffe ersetzen und finden Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen. Beispiele hierfür sind:
- Kühlkörper für Leiterplatten und LED-Leuchten
- Isoliermaterialien für schnell drehende Maschinenelemente
- Komponenten in der Automobilindustrie für Motoren und Elektronikbauteile
Die Präzisions Ceramic Nord GmbH hat sich auf die Herstellung von CNC-Prototypen & Kleinserien aus technischer Keramik spezialisiert. Wir bieten Bauteile verschiedener Größe und in hoher Formvariabilität, die die außergewöhnlichen thermischen, mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Materials nutzen. Wir fertigen Komponenten und Bauteile aus:
→ MACOR ®
→ Quarzglas
→ SHAPAL™ Hi M Soft
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