Um gleichzeitig hohe Wärmeleitfähigkeit und einwandfreie elektrische Isolation zu erreichen, sind keramische Füllstoffe unverzichtbar. Vorstellung der drei leistungsstärksten Kandidaten, ihrer Eigenschaften und Anwendungsgrenzen.
Bornitrid (BN), das „weiße Graphit“
Bornitrid ist ein anorganischer Feststoff, dessen hexagonale (h-BN) und kubische (c-BN) Strukturen die stabilsten sind. Seine hexagonale Struktur ähnelt der von Graphit, was ihm den Beinamen „weißes Graphit“ eingebracht hat.
Wichtige Eigenschaften:
- Wärmeleitfähigkeit: bis zu 300-400 W/m·K in der Schichtebene
- Elektrischer Widerstand: 10¹³ Ohm·cm (hervorragender elektrischer Isolator)
- Thermische Stabilität: bis 1000 °C an Luft, 1950 °C unter Inertgas
- Nicht toxisch (Vorteil bei der industriellen Handhabung)
Wichtiges Ergebnis: BN in Epoxid — Laut Xiao und Xue Du steigt die Wärmeleitfähigkeit eines Epoxidverbundwerkstoffs von 1,5 W/m·K mit unbehandeltem BN auf 2,69 W/m·K, wenn BN durch Admizell behandelt wird, ein Verfahren zur Förderung der Grenzflächenhaftung von BN am Harz.
Aluminiumnitrid (AlN)
AlN ist ein feuerfestes und halbleitendes Material, das gleichzeitig elektrisch isolierend ist und eine außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1800 W/m·K in reinster Form aufweist. Seine wichtigste Einschränkung ist seine Empfindlichkeit gegenüber Hydrolyse in Gegenwart von Wasser.
Wichtiges Ergebnis von silanbehandeltem AlN in Epoxid:
- Mit 60 Vol.-% silanbehandelter AlN-Partikel erreicht die Wärmeleitfähigkeit 11,0 W/m·K
- Eine Steigerung von +97 % gegenüber unbehandeltem AlN
- Die Verbesserung ist auf die Reduzierung des thermischen Kontaktwiderstands an der Grenzfläche zurückzuführen
Aluminiumoxid (Al₂O₃), der Allzweckfüllstoff
Als Teil der Oxidfamilie ist Aluminiumoxid nach Diamant der härteste natürliche Werkstoff (> 18 GPa Vickers). Es wird besonders wegen seiner Verschleißfestigkeit, Biokompatibilität und des hervorragenden Preis-Leistungs-Verhältnisses eingesetzt.
- Wärmeleitfähigkeit: 8-30 W/m·K (je nach Reinheit)
- Dielektrische Festigkeit: bis 40 kV/mm
- Mit 80 Vol.-%: Wärmeleitfähigkeit des Epoxidverbundwerkstoffs bis 4,5 W/m·K
Vergleichstabelle der effektiven Wärmeleitfähigkeiten (Literatur)
| Konfiguration | Volumenanteil | λ effektiv (W/m·K) | Behandlung |
|---|---|---|---|
| Reines Epoxid (Referenz) | – | ~0,2 | – |
| Epoxid + unbehandeltes BN | Variabel | 1,5 | Keine |
| Epoxid + Admizell-BN | Variabel | 2,69 | Admizell |
| Epoxid + Al₂O₃ | 80 Vol.-% | 4,5 | – |
| Epoxid + silanbehandeltes AlN | 60 Vol.-% | 11,0 | Silan |
Hinweis: Graphit und Graphen — Obwohl Graphit und Graphen sehr hohe intrinsische Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, sind sie auch elektrisch leitfähig. Ihr Einsatz ist daher mit dielektrischen Isolieranwendungen unvereinbar.
Möchten Sie den geeigneten keramischen Füllstoff für Ihre Anwendung auswählen? Kontaktieren Sie unser technisches Team unter sales@segdielectriques.com für eine individuelle Beratung.
