Die 10 besten Materialien mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit zur Wärmeableitung

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit können Wärme effektiv abgeben und schnell aus ihrer Umgebung aufnehmen. Schlechte Wärmeleiter hingegen behindern den Wärmefluss und nehmen Wärme langsamer auf. Gemäß dem Internationalen Einheitensystem (SI) wird die Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter pro Kelvin (W/m·K) gemessen. Die folgende Liste führt die zehn Materialien mit den höchsten Wärmeleitfähigkeitswerten auf, basierend auf Durchschnittswerten.

Natürliche wärmeleitende Materialien

1. Diamant – 2000-2200 W/m·K

Diamant ist der beste natürliche Wärmeleiter mit einer fünfmal höheren Wärmeleitfähigkeit als Kupfer, eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der Fertigung. Seine Atomstruktur, bestehend aus einem einfachen Kohlenstoffgitter, macht ihn zu einem idealen Material für effiziente Wärmeübertragung. In modernen tragbaren Elektronikgeräten trägt er zur Wärmeableitung bei und schützt empfindliche Bauteile. Darüber hinaus ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamanten nützlich, um die Echtheit von Edelsteinen zu bestimmen.

2. Silber – 429 W/m·K

Silber ist ein relativ preiswerter und reichlich vorhandener Wärmeleiter, der in elektrischen Geräten weit verbreitet ist. Aufgrund seiner Formbarkeit zählt Silber zu den vielseitigsten Metallen, und etwa 35 % des in den USA produzierten Silbers werden für Elektrowerkzeuge und Elektronikprodukte verwendet. Darüber hinaus ist Silberpaste aufgrund ihrer Verwendung in Photovoltaikzellen, einem Schlüsselelement von Solarmodulen, sehr gefragt.

3. Kupfer – 398 W/m·K

Kupfer zählt zu den am häufigsten verwendeten Metallen in der Elektrotechnik und Wärmeleitung. Dank seines hohen Schmelzpunktes und seiner mittleren Korrosionsrate minimiert Kupfer den Energieverlust bei der Wärmeübertragung. Es findet Anwendung in verschiedenen Geräten wie Metalltöpfen, Wasserleitungen und Autokühlern.

4. Gold – 315 W/m·K

Gold ist ein seltenes und teures Metall, das für spezielle leitfähige Anwendungen eingesetzt wird. Im Gegensatz zu Silber und Kupfer ist Gold anlaufbeständig und widersteht korrosiven Bedingungen. Es wird häufig in der Elektronik verwendet, wo Korrosionsbeständigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

5. Aluminiumnitrid – 310 W/m·K

Aluminiumnitrid wird aufgrund seiner ähnlichen thermischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Ersatz für Berylliumoxid verwendet, jedoch ohne die mit Beryllium verbundenen Gesundheitsrisiken. Es ist eines der wenigen Materialien, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit elektrischer Isolation vereinen, und spielt als Isolator mit außergewöhnlicher Temperaturwechselbeständigkeit eine entscheidende Rolle in elektronischen Geräten.

6. Siliziumkarbid – 270 W/m·K

Siliziumkarbid, ein Halbleiter aus Silizium- und Kohlenstoffatomen, bildet im geschmolzenen Zustand ein äußerst widerstandsfähiges Material. Aufgrund seiner Härte und Verschleißfestigkeit findet Siliziumkarbid breite Anwendung in Kfz-Bremsanlagen, Turbinen und Stahllegierungen.

7. Aluminium – 247 W/m·K

Aluminium wird häufig als kostengünstiger Ersatz für Kupfer in wärmeleitenden Anwendungen eingesetzt. Obwohl es nicht so leitfähig wie Kupfer ist, ist Aluminium reichlich vorhanden, leicht zu verarbeiten und hat einen niedrigeren Schmelzpunkt. Es ist ein wesentlicher Bestandteil von LED-Beleuchtung und findet zunehmend Verwendung in Kupfer-Aluminium-Legierungen.

8. Wolfram – 173 W/m·K

Wolfram ist aufgrund seines hohen Schmelzpunktes und niedrigen Dampfdrucks ideal für Geräte, die mit hohen elektrischen Strömen betrieben werden. Seine chemische Inertheit ermöglicht den Einsatz als Elektrode in Elektronenmikroskopen, ohne den Stromfluss zu beeinflussen. Wolfram findet außerdem Verwendung in Glühbirnen und Kathodenstrahlröhren.

9. Graphit – 168 W/m·K

Graphit, eine ressourcenreiche, kostengünstige und leichte Kohlenstoffmodifikation, wird häufig als Zusatzstoff in Polymermischungen verwendet, um deren Wärmeleitfähigkeit zu verbessern. Batterien gehören zu den gängigsten Geräten, die die hohe Wärmeleitfähigkeit von Graphit nutzen.

10. Zink – 116 W/m·K

Zink gehört zu den wenigen Metallen, die sich leicht mit anderen Metallen zu Legierungen verbinden. In den USA werden etwa 20 % des Zinks zur Herstellung von Zinklegierungen verwendet. Die Galvanisierung, also das Überziehen von Stahl oder Eisen mit einer Zinkschicht, schützt das Metall vor Witterungseinflüssen und Rost.

Technische Oberflächenbeschichtungsmaterialien

1.DLC-Beschichtung (diamantähnlicher Kohlenstoff)

DLC-Beschichtungen werden mittels Vakuumbeschichtung und PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition) hergestellt und bieten hervorragende Wärmeleitfähigkeit und Isolationseigenschaften. Sie finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, in denen sowohl thermische als auch elektrische Isolation erforderlich ist.

2. Aluminiumoxid (Al2O3)-Beschichtung

Aluminiumoxid-Beschichtungen, hergestellt mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), werden häufig in Anwendungen eingesetzt, die sowohl Isolierung als auch gute Wärmeleitfähigkeit erfordern. Obwohl diese Beschichtungen im Vergleich zum thermischen Spritzen eine bessere Kontrolle über Schichtdicke und Haftung ermöglichen, schränken ihre hohen Kosten eine breite Anwendung ein. Wärmeleitfähigkeit: 23–32 W/m·K.

3. Hexagonale Bornitrid-Beschichtung (HBN)

HBN-Beschichtungen mit einer Wärmeleitfähigkeit von 33 W/m·K sind die besten Keramikbeschichtungen für Hochtemperaturanwendungen über 500 °C. HBN ist zudem ein hervorragender Keramikisolator mit einer Durchschlagspannung von 3 kV/mm. Es ist chemisch inert und beständig gegen Oxidation in Sauerstoff bei Temperaturen bis zu 900 °C sowie in sauerstofffreier Umgebung bis zu 2000 °C.

4. Berylliumoxid (BeO)-Beschichtung

Berylliumoxid besitzt eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer und wird in Hochleistungsanwendungen zur Wärmeableitung eingesetzt. Allerdings ist das Pulver giftig, und BeO beginnt sich bei Temperaturen über 1000 °C zu verflüchtigen. Daher wird es zunehmend durch sicherere Alternativen ersetzt.