Einführung
Mit der rasanten Entwicklung neuer Energiefahrzeuge, elektrischer Antriebssysteme und leistungsstarker elektronischer Technologien stellt die Automobilindustrie immer höhere Anforderungen an die Materialleistung. Insbesondere in Batterie-, elektronischen Steuerungs-, Motor- und Hochtemperatur-Motorsystemen ist die „Wärmeableitung“ zu einem entscheidenden Faktor geworden, der sich auf die Gesamtleistung und Lebensdauer des Fahrzeugs auswirkt. Vor diesem Hintergrund werden wärmeleitende Industriekeramikmaterialien von immer mehr Herstellern von Automobilkomponenten eingesetzt. Welche wärmeleitenden industriellen Keramikmaterialien werden üblicherweise in Automobilen verwendet? Und in welchen Bauteilen werden sie eingesetzt? Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick.
1. Warum widmet die Automobilindustrie wärmeleitenden Keramikmaterialien immer mehr Aufmerksamkeit?
Während herkömmliche Metalle eine gute Wärmeleitfähigkeit bieten, weisen sie auch erhebliche Nachteile auf:
Sie leiten Elektrizität und bergen die Gefahr elektrischer Gefahren.
Sie neigen bei hohen Temperaturen zur Oxidation und Verformung.
Ihre langfristige Korrosionsbeständigkeit ist begrenzt.
Zudem sind sie relativ schwer, was eine Gewichtsreduktion erschwert.
Im Gegensatz dazu können wärmeleitende Industriekeramikmaterialien Folgendes erreichen:
✔ Wärmeleitfähigkeit
✔ Isolierung
✔ Hohe Temperaturbeständigkeit
✔ Korrosionsbeständigkeit
✔ Leicht
✔ Lange Lebensdauer und stabiler Betrieb
Insbesondere im Bereich der New-Energy-Fahrzeuge haben sich keramische Materialien nach und nach zu einem wichtigen Bestandteil hochwertiger Wärmemanagementlösungen entwickelt.
1. Aluminiumnitridkeramik (AlN) – ein Kernmaterial für die elektronische Wärmeableitung im Automobilbereich
Aluminiumnitrid ist eine der beliebtesten wärmeleitenden Keramiken im Bereich der Automobilelektronik.
Hauptmerkmale:
Hohe Wärmeleitfähigkeit: ≥170 W/(m·K)
Hervorragende elektrische Isolationsleistung
Wärmeausdehnungskoeffizient nahe dem von Siliziumchips
Starke Hochtemperaturstabilität
Hauptanwendungen:
IGBT-Leistungsmodulsubstrat
Elektronische Steuerungssysteme für neue Energiefahrzeuge
On-Board-Ladegeräte (OBC)
DC/DC-Module
LiDAR-Wärmeableitungskomponenten
? In Fahrzeugen mit neuer Energie ist Aluminiumnitridkeramik zu einem wichtigen Material für die Wärmeableitung von Hochleistungselektronik geworden.
2. Siliziumnitridkeramik (Si₃N₄) – hochfeste wärmeleitende Strukturkeramik
Siliziumnitrid besitzt folgende Vorteile:
Hohe Wärmeleitfähigkeit
Ultrahohe mechanische Festigkeit
Außergewöhnliche Temperaturwechselbeständigkeit
Hervorragende Gesamtleistung
Hauptanwendungen:
Turboladerrotoren
Hochgeschwindigkeitslagerkugeln
Lager des elektrischen Antriebssystems
Substrate für Leistungsmodule
Hochtemperatur-Motorkomponenten
Im Vergleich zu herkömmlichen Metallen:
? Siliziumnitrid ist leichter, verschleißfester und hitzebeständiger.
3. Aluminiumoxidkeramik (Al₂O₃) – die am häufigsten verwendete wärmeleitende und isolierende Keramik.
Obwohl Aluminiumoxid eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumnitrid aufweist, bietet es insgesamt eine äußerst hohe Kosteneffizienz.
Hauptmerkmale:
Wärmeleitfähigkeit: 20–30 W/(m·K)
Gute elektrische Isolierung
Niedrige Kosten
Ausgereifter und stabiler Herstellungsprozess
Hauptanwendungen:
Elektronische Keramiksubstrate für die Automobilindustrie
Komponenten zur Isolierung des Zündsystems
Sensorstrukturkomponenten
Kühlkörpersubstrate für LED-Automobilbeleuchtung
? Weit verbreitet in Automobilelektroniksystemen mit niedriger bis mittlerer Leistung.
4. Siliziumkarbidkeramik (SiC) – ein repräsentativer Werkstoff für Hochtemperatur- und Hochleistungsanwendungen.
Siliziumkarbid besitzt folgende Eigenschaften:
Extrem hohe Wärmeleitfähigkeit ≥100W/(m·K)
Ultrahohe Temperaturbeständigkeit
Starke Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit
Hauptanwendungen:
Hochleistungsbremssysteme
Hochtemperatur-Strukturbauteile
Kühlmodule für Elektroantriebe
Komponenten im Zusammenhang mit Siliziumkarbid-Leistungsgeräten
Vor allem in den Hochspannungsplattformen von New-Energy-Fahrzeugen verzeichnen Materialien auf Basis von Siliziumkarbid ein rasantes Wachstum.
Derzeit werden wärmeleitende Industriekeramiken in großem Umfang in den folgenden Automobilsystemen eingesetzt:
| Automobilsysteme | Keramikanwendungen |
| Neues Energiekontrollsystem | Keramiksubstrat, isolierender Kühlkörper |
| IGBT-Leistungsmodule | Aluminiumnitrid/Aluminiumoxid/Siliziumnitrid-Substrat |
| Wärmemanagement der Batterie | Wärmeleitende und isolierende Bauteile |
| Fahrzeugradar | Elektronische Hochfrequenz-Wärmeableitungskomponenten |
| LED-Autolichter | Keramisches Wärmeableitungssubstrat |
| Hochgeschwindigkeitslager | Siliziumnitrid-Keramikkugeln |
| Turboaufladungssystem | Hochtemperatur-Keramikrotor |
Während sich die Automobilindustrie auf Folgendes zubewegt:
hohe Leistung
hohe Integration
Hochspannung
hohe Geschwindigkeit
Leichtbau
Herkömmliche Metallwerkstoffe haben es immer schwerer, die folgenden Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen:
„Wärmeableitung + Isolierung + hohe Temperaturbeständigkeit + geringes Gewicht“
Industriekeramik kann diese Probleme gleichzeitig lösen.
Speziell im Bereich New Energy Vehicles:
? Wärmeleitende Keramiken werden vom „Hilfsstoff“ zum „Kernwerkstoff“ aufgewertet.
Von Leistungsmodulen bis hin zu Hochgeschwindigkeitslagern, von Kühlkörpern bis hin zu elektronischen Steuerungssystemen sind wärmeleitende Keramiken zu einem unverzichtbaren Material in modernen Automobilen geworden.
Hochleistungsfähige wärmeleitende Keramiken werden in Zukunft eine immer wichtigere Rolle spielen bei:
Neue Energiefahrzeuge
Intelligente Fahrzeuge
Hochleistungselektronik
Autonome Fahrsysteme