Im Bereich der dielektrischen Isolierstoffe stellt das Wärmemanagement eine große Herausforderung dar. Polymermatrix-Verbundwerkstoffe mit Füllstoffen ermöglichen die Kombination von elektrischer Isolation und effizienter Wärmeableitung. Ein Überblick über die grundlegenden Prinzipien.
Definition: Verbundwerkstoff — Ein Verbundwerkstoff ist ein heterogenes Material aus mindestens zwei nicht mischbaren Bestandteilen, deren Kombination dem Gesamtmaterial Eigenschaften verleiht, die keiner der Bestandteile allein besitzen würde. Es werden zwei Hauptphasen unterschieden: die Verstärkungsphase und die Matrix.
Schlüsselzahlen
| Wert | Bedeutung |
|---|---|
| ~0,2 W/m·K | Typische Wärmeleitfähigkeit eines reinen Polymers |
| > 4 W/m·K | Erreichbar mit Keramikfüllstoffen |
| 300 W/m·K | Intrinsische Wärmeleitfähigkeit von Bornitrid |
Aufbau eines Verbundwerkstoffs
Ein Verbundwerkstoff besteht aus zwei Hauptphasen mit sich ergänzenden Aufgaben:
Phase 1 — Matrix
Sorgt für den Zusammenhalt des Werkstoffs, gibt ihm seine Form und chemische Beständigkeit. Kann sein:
- Mineralisch (CMC, MMC)
- Duroplastisch-organisch (Epoxid, Silikon)
- Thermoplastisch-organisch
Phase 2 — Verstärkung (Füllstoffe)
Wärmeleitende Partikel zur Verbesserung des Wärmetransfers bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der elektrischen Isolierung:
- Keramische Füllstoffe (BN, AlN, Al₂O₃)
- Metallische Füllstoffe (Ag, Cu, Al)
- Kohlenstoffhaltige Füllstoffe (Graphit, Graphen, CNT)
Warum werden Wärmeleitfüllstoffe eingesetzt?
Polymermatrizes weisen von Natur aus sehr niedrige Wärmeleitfähigkeiten auf, die im Allgemeinen unter 0,5 W/m·K liegen. Für dielektrische Isolieranwendungen mit intensiven Wärmezyklen (Transformatoren, Elektromotoren, Leistungsmodule) ist dieses Niveau zunehmend ungenügend.
Die Zugabe wärmeleitender Füllstoffe erhöht diesen Wert deutlich, ohne die elektrischen Isoliereigenschaften zu beeinträchtigen. Die Auswahl der Füllstoffe hängt von verschiedenen Kriterien ab: chemische Natur, Morphologie, Korngröße, Einfüllrate und Qualität der Grenzfläche mit der Matrix.
Duroplastische Matrizes: das Referenzmaterial
Im Bereich der flexiblen dielektrischen Isolierstoffe nehmen duroplastische Matrizes, insbesondere Epoxidharze, eine führende Stellung ein. Ihre Vernetzung verleiht ihnen dimensionale Stabilität und hervorragende mechanische Beständigkeit und bietet gleichzeitig eine ideale Grundlage für die Einarbeitung wärmeleitender Füllstoffe.
Füllstoffe verschiedener Art können kombiniert werden, um Synergieeffekte zu erzielen und effektive Wärmeleitfähigkeiten von mehr als 4 W/m·K mit Keramikfüllstoffen bei hohen Volumenanteilen (60-80 %) zu erreichen.
Marktausblick 2025: Der weltweite Markt für elektrische Isoliermaterialien wird für 2024 auf 11,9 Mrd. USD geschätzt, mit einem projizierten jährlichen Wachstum von +6,6 % bis 2034. Elektrofahrzeug- und Erneuerbare-Energien-Anwendungen sind die wichtigsten Wachstumstreiber.
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