مع التطور السريع للصناعة الحديثة، أصبحت الإدارة الحرارية عاملاً أساسياً يؤثر على أداء المنتج وموثوقيته. من أجهزة الحوسبة عالية الأداء إلى مكونات الطيران والفضاء، أصبح اختيار مواد التوصيل الحراري الفعّالة أمراً ضرورياً لهذه التطبيقات المتطورة.
تتميز المواد الخزفية بأداء متميز في مجال التوصيل الحراري بفضل مزيجها الفريد من الخصائص. فهي تتفوق على المواد البلاستيكية التقليدية في التوصيل الحراري، كما توفر أداءً ممتازًا في العزل الكهربائي، وهو مناسب جدًا لمجال الإلكترونيات. على سبيل المثال، تصل الموصلية الحرارية للمواد الخزفية الشائعة المصنوعة من نيتريد الألومنيوم (AlN) إلى 180 واط/متر كلفن، متجاوزةً بذلك بكثير المواد البلاستيكية الهندسية العادية (0.2-0.4 واط/متر كلفن). هذا المزيج المتفوق من الموصلية الحرارية وأداء العزل الكهربائي يجعل المواد الخزفية تتمتع بمكانة لا غنى عنها في تطبيقات مثل التغليف الإلكتروني وركائز تبديد الحرارة.
هل ترغب بمعرفة أفضل عشر مواد سيراميكية في التوصيل الحراري؟ تابعنا واقرأ وستجد الإجابة.
روابط سريعة
- ما هي الموصلية الحرارية؟
- جدول التوصيل الحراري للمواد الخزفية الشائعة
- المواد الخزفية العشر ذات أعلى موصلية حرارية
- كيفية اختيار المادة السيراميكية ذات أفضل الموصلية الحرارية؟
- تطبيق المواد الخزفية الموصلة للحرارة
ما هي الموصلية الحرارية؟
الموصلية الحرارية يُعدّ مؤشر التوصيل الحراري مؤشرًا مهمًا لقياس التوصيل الحراري للمواد. وحدته هي واط/متر كلفن (W/mK). يعكس هذا المؤشر قوة التوصيل الحراري للمادة. تجدر الإشارة إلى أن التوصيل الحراري للمواد السيراميكية ليس ثابتًا، إذ يتأثر بعوامل مختلفة، منها عملية التصنيع، ونقاء المادة، وحجم الحبيبات، ودرجة حرارة التشغيل، مما يؤثر على التوصيل الحراري النهائي للمواد السيراميكية.
جدول التوصيل الحراري للمواد الخزفية الشائعة
في التطبيقات الفعلية، قد تختلف الموصلية الحرارية للمواد قليلاً بسبب النقاء والبنية البلورية وتكنولوجيا المعالجة والعوامل البيئية الخارجية.
|
المواد الخزفية |
الموصلية الحرارية (وات/م·ك) |
|
نتريد الألومنيوم (AIN) |
170 |
|
أكسيد البريليوم(BeO) |
260 |
|
كربيد السيليكون (SiC) |
120-200 |
|
نتريد السيليكون (Si3N4) |
20-30 |
|
الألومينا (Al2O3) |
25-35 |
|
المغنيسيا (MgO) |
60 |
|
زركونيا (ZrO2) |
2-3 |
|
نتريد البورون (BN) |
60 |
|
كربيد البورون (B4C) |
30-50 |
|
أكسيد الإيتريوم (Y2O3) |
12 |
|
أكسيد التيتانيوم (TiO2) |
11 |
|
أكسيد السيليكون (SiO2) |
1.4 |
|
كربيد التنغستن (WC) |
85-100 |
|
أكسيد النيوبيوم (Nb2O5) |
6-8 |
|
أكسيد الإنديوم (ln2O3) |
15 |
|
ألومينات الكالسيوم (CaAl2O4) |
6-10 |
|
أكسيد اللانثانوم (La2O3) |
12-15 |
|
أكسيد الروديوم (Rh2O3) |
40-50 |
|
مركب سيراميكي من كربيد السيليكون والجرافيت (SiC-C) |
120-200 |
|
سيراميك مركب من نتريد السيليكون والألومينا (Si3N4 Al203) |
20-40 |
|
مركب سيراميكي من الألومينا وكربيد السيليكون (AI2O3- كربيد السيليكون |
50-70 |
|
سيراميك مركب من نتريد الألومنيوم والألومينا (AIN- Al2O3) |
100-150 |
|
مركب سيراميكي من أكسيد الزركونيا والإتريوم (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
|
سيراميك مركب من الألومينا والزركونيا (AI203-ZrO2) |
10-20 |
|
سيراميك مركب من نتريد السيليكون وكربيد السيليكون (Si3N4-SiC) |
80-120 |
|
مركب سيراميكي من كربيد السيليكون ونتريد البورون (SiC-BN) |
100-150 |
|
سيراميك مركب من الألومينا والجرافيت (AI203-C) |
30-50 |
|
سيراميك مركب من الألومينا والمغنيسيا (AI2O3-MgO) |
50-70 |
المواد الخزفية العشر ذات أعلى موصلية حرارية
أكسيد البريليوم (BeO)
يُعد أكسيد البريليوم من أفضل المواد الخزفية حاليًا من حيث الموصلية الحرارية. تتراوح موصليته الحرارية بين 184 و300 واط/متر كلفن، وهي قريبة جدًا من الموصلية الحرارية لبعض المواد المعدنية. وتعود موصليته الحرارية الفائقة إلى بنيته البلورية الفريدة وخصائصه الرابطة التساهمية القوية.
يتميز أكسيد البريليوم بموصلية حرارية ممتازة، بالإضافة إلى خصائص عزل كهربائي وثابت عزل كهربائي منخفض. تصل قوة ضغطه إلى 245 ميجا باسكال، ويتمتع بمقاومة جيدة للصدمات الحرارية. وهو عنصر أساسي لإدارة الحرارة في أنظمة الاتصالات عبر الأقمار الصناعية في مجال الفضاء الجوي، كما أنه ركيزة ممتازة لتبديد الحرارة في أجهزة الترددات الراديوية عالية الطاقة.
ومع ذلك، يواجه أكسيد البريليوم تحديات جسيمة. فمواده الخام سامة، ويتطلب إنتاجه شروط سلامة صارمة. علاوة على ذلك، فإن عملية إنتاجه معقدة للغاية. وقد أدت بعض العوامل إلى ارتفاع تكلفة إنتاجه.
نتريد الألومنيوم (AlN)
نتريد الألومنيوم مادة سيراميكية موصلة للحرارة ذات أداء ممتاز. يتراوح نطاق توصيلها الحراري بين 140 و180 واط/متر كلفن. في السنوات الأخيرة، حظيت مادة سيراميكية من نيتريد الألومنيوم باهتمام كبير نظرًا لأدائها الشامل المتفوق.
يتميز نتريد الألومنيوم بمزيج مثالي من التوصيل الحراري الممتاز وأداء العزل الكهربائي، كما أن معامل تمدده الحراري يُضاهي معامل أشباه الموصلات السيليكونية (4.5×10^-6/K)، مما يُبرز ميزة فريدة في مجال التغليف الإلكتروني. ويمكن استخدام موصليته الحرارية العالية في تبديد حرارة رقائق LED، وركائز تبديد الحرارة لوحدات الطاقة، وأجهزة التردد اللاسلكي، والدوائر المتكاملة واسعة النطاق، مما يُحسّن بشكل كبير من عمر هذه الأجهزة.
كربيد السيليكون (SiC)
الموصلية الحرارية لـ كربيد السيليكون تتراوح قدرتها بين ١٢٠ و١٨٠ واط/متر كلفن. وهي مادة سيراميكية عالية الأداء ذات تطبيقات واسعة للغاية، ولا غنى عنها في العديد من المجالات المتقدمة.
بالإضافة إلى التوصيل الحراري الممتاز، يتميز كربيد السيليكون بقوة ميكانيكية ممتازة، وقوة انحناء تزيد عن 400 ميجا باسكال، وصلابة عالية جدًا ومقاومة ممتازة للتآكل. في بعض التطبيقات الصناعية، يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع في المبادلات الحرارية عالية الحرارة، والأختام الميكانيكية، والمحامل، وأدوات القطع، نظرًا لخصائصه الفريدة. كما يُعدّ مادة تغليف بالغة الأهمية في مجال التطبيقات الإلكترونية.
أكسيد النحاس والألومنيوم (CuAlO2)
أكسيد النحاس والألومنيوم نوع جديد من مواد السيراميك المُركّبة. تتراوح موصليته الحرارية بين 100 و200 واط/متر كلفن. يتميز بموصلية حرارية وكهربائية جيدة، ويمكنه توفير حلول جديدة لبعض الحالات الخاصة.
في صناعة الإلكترونيات، استقطبت هذه المادة اهتمامًا كبيرًا بفضل موصليتها الكهربائية والحرارية المزدوجة. ويمكن ملاحظة ذلك في تصنيع بعض الأجهزة الكهروحرارية والمكونات الإلكترونية عالية الأداء.
نتريد البورون (BN)
يتميز نيتريد البورون بتركيبه الطبقي الفريد وموصليته الحرارية المتغيرة، والتي تتراوح بين 20 و300 واط/متر كلفن، حسب تركيبه. من بينها، يتميز نيتريد البورون السداسي (h-BN) بموصلية حرارية عالية جدًا في الاتجاه المستوي، تصل إلى 200-250 واط/متر كلفن، بينما يتميز نيتريد البورون المكعب (c-BN) عادةً بموصلية حرارية تتراوح بين 30 و70 واط/متر كلفن.
يتميز نتريد البورون بثبات ممتاز في درجات الحرارة العالية، وخمول كيميائي، وتشحيم ذاتي، كما أن أداءه الممتاز في العزل الكهربائي وثابته العازل المنخفض يجعله متميزًا جدًا في مجال الإلكترونيات. وما يستحق اهتمامكم بشكل خاص هو أن نتريد البورون يحافظ على موصلية حرارية مستقرة في بيئات ذات درجات حرارة عالية، وهو أمر يصعب تحقيقه في العديد من المواد الأخرى.
يتميز نيتريد البورون بنطاق واسع من تطبيقات التوصيل الحراري. ففي صناعة الطيران، يُستخدم على نطاق واسع في مكونات العزل عالية الحرارة وأنظمة التحكم الحراري. وفي صناعة الإلكترونيات، يُعدّ أيضًا ركيزة ممتازة لتبديد الحرارة ومادةً موصلةً للحرارة.
ثنائي بوريد التيتانيوم (TiB2)
تتراوح الموصلية الحرارية لثنائي بوريد التيتانيوم بين 60 و70 واط/متر كلفن. ورغم أنها ليست الأعلى بين العديد من المواد الخزفية، إلا أن خصائصها الفريدة تجعلها ذات قيمة تطبيقية مهمة في مجالات محددة.
في التطبيقات الصناعية، يتم استخدام ثنائي بوريد التيتانيوم بشكل أساسي في معدات معالجة المعادن المنصهرة ذات درجات الحرارة العالية وأدوات القطع والأجزاء المقاومة للتآكل.
أكسيد المغنيسيوم (MgO)
تتراوح الموصلية الحرارية لأكسيد المغنيسيوم بين 40 و60 واط/متر كلفن. وهو مادة سيراميكية موصلة للحرارة واقتصادية، تجمع بين العزل الكهربائي والتوصيل الحراري. في مجال الإلكترونيات، يُعد أكسيد المغنيسيوم مادة عازلة ومبددة للحرارة ممتازة. كما يُستخدم بكثرة في المواد المقاومة للحرارة ومكونات التحكم الحراري.
نتريد السيليكون (Si3N4)
تتراوح الموصلية الحرارية لنتريد السيليكون بين 20 و70 واط/متر كلفن، إلا أنه يتميز بخواص ميكانيكية ممتازة وثبات حراري ممتاز، ولا غنى عنه في بعض التطبيقات المحددة. كما أن قوته ومتانته العاليتين تُمكّنانه من الأداء الجيد في بيئات ذات درجات حرارة عالية. وفي التطبيقات الإلكترونية ذات درجات الحرارة العالية، يُستخدم غالبًا كمادة تغليف ومكون لتبديد الحرارة. كما أنه مادة ممتازة لمكونات المحركات وأنظمة ناقل الحركة في صناعة السيارات.
الألومينا (Al2O3)
الموصلية الحرارية لـ الألومينا تعتبر منخفضة نسبيًا مقارنة بالمواد الخزفية السابقة، وتتراوح من 20 إلى 50 وات/متر كلفن، ولكن نظرًا لفعاليتها الممتازة من حيث التكلفة والأداء المستقر، فإنها تحتل أيضًا مكانة مهمة جدًا في بعض الصناعات.
في مجال تغليف الإلكترونيات، أصبحت سيراميك الألومينا مادة التغليف المفضلة للأجهزة الإلكترونية متوسطة ومنخفضة الطاقة، نظرًا لخصائصها العازلة الجيدة، وموصليتها الحرارية المعتدلة، وسعرها المناسب. تتميز الألومينا بترابطها الجيد مع المعادن، وهي مناسبة جدًا لصنع ركائز السيراميك المعدنية.
كربيد الزركونيوم (ZrC)
كربيد الزركونيوم مادة سيراميكية فائقة الحرارة، ذات موصلية حرارية تتراوح بين 20 و40 واط/متر كلفن. ومن أبرز خصائصها درجة انصهارها العالية جدًا (أكثر من 3500 درجة مئوية) ومقاومتها الممتازة للأكسدة. وفي بعض البيئات شديدة الحرارة، يُظهر كربيد الزركونيوم ثباتًا حراريًا وقوة ميكانيكية ممتازين. على سبيل المثال، يُستخدم كربيد الزركونيوم في صناعة الطيران والفضاء لتصنيع مكونات أنظمة الحماية الحرارية ومكونات أنظمة الدفع، نظرًا لمقاومته الممتازة للأكسدة وثباته الحراري.
كيفية اختيار المادة السيراميكية ذات أفضل الموصلية الحرارية؟
عند اختيار أفضل مادة سيراميك موصلة للحرارة، يجب عليك إجراء تحليل شامل لمقارنة البيانات.
وفقًا لأبحاث موثوقة، سيحتل أكسيد البريليوم (BeO) ونتريد الألومنيوم (AlN) مكانةً رائدةً من حيث الموصلية الحرارية. تصل أعلى موصلية حرارية لأكسيد البريليوم إلى 300 واط/متر كلفن، بينما يتخلف عنه نتريد الألومنيوم بفارقٍ ضئيل، بنقاوةٍ عاليةٍ للغاية تصل إلى 200 واط/متر كلفن. وتحتل هاتان المادتان مكانةً بالغة الأهمية في بعض تطبيقات التغليف الإلكتروني المتطورة.
إذا كنت بحاجة إلى مادة سيراميكية عالية الأداء من حيث التكلفة، فعليك تحليلها بشكل منفصل. على الرغم من أن الموصلية الحرارية لأكسيد الألومنيوم منخفضة نسبيًا، إلا أن تكلفته أقل بكثير من تكلفة نيتريد الألومنيوم، مما يجعله أكثر فائدة في بعض التطبيقات منخفضة ومتوسطة الأداء. حقق نيتريد السيليكون وكربيد السيليكون توازنًا أفضل بين الأداء والتكلفة، وهما أكثر ملاءمة لبعض التطبيقات ذات الخصائص الميكانيكية العالية.
وفقًا لتحليل اعتماد درجة الحرارة، تنخفض الموصلية الحرارية لمعظم المواد الخزفية مع ارتفاع درجة الحرارة. على سبيل المثال، تنخفض الموصلية الحرارية لنتريد الألومنيوم بحوالي 10-15% بين درجة حرارة الغرفة و100 درجة مئوية. في المقابل، يكون تدهور أداء كربيد السيليكون في البيئات ذات درجات الحرارة العالية ضئيلًا نسبيًا. في بعض التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، ستكون مزايا استخدام كربيد السيليكون أكبر.
تطبيق المواد الخزفية الموصلة للحرارة
صناعات الإلكترونيات وأشباه الموصلات
تُستخدم السيراميكات عالية التوصيل الحراري، مثل نتريد الألومنيوم وكربيد السيليكون، على نطاق واسع في تغليف الإلكترونيات وركائز تبديد الحرارة. فهي قادرة على نقل الحرارة بسرعة بعيدًا عن المكونات الإلكترونية، مما يمنع ارتفاع درجة حرارتها، مما يؤدي إلى تدهور أدائها وتلفها.
ومن بينها، أصبحت ركائز نيتريد الألومنيوم مواد ركيزة مثالية لليزر أشباه الموصلات ووحدات تبديد الحرارة LED بسبب موصليتها الحرارية العالية للغاية ومعامل التمدد الحراري المنخفض.
الفضاء الجوي
يتطلب مجال الفضاء الجوي متطلبات عالية جدًا فيما يتعلق بموثوقية المواد. في بعض محركات الطائرات والمركبات الفضائية، يُمكن استخدام سيراميك كربيد السيليكون في الفوهات والمبادلات الحرارية بفضل موصليته الحرارية وثباته في درجات الحرارة العالية. تتميز هذه المواد بقدرتها على توصيل الحرارة وتبديدها بسرعة في درجات الحرارة القصوى، مما يُحسّن استقرار تشغيل المعدات.
المبادلات الحرارية عالية الحرارة والمعدات الموفرة للطاقة
تُعدّ المبادلات الحرارية الخزفية مكونات بالغة الأهمية في الصناعات الكيميائية والمعدنية. ويُمكن الآن استخدام مواد سيراميكية عالية التوصيل الحراري، مثل كربيد السيليكون، لتحسين كفاءة التبادل الحراري وتقليل هدر الطاقة.
مجالات الطاقة الكهروضوئية والطاقة الجديدة
في وحدات الخلايا الكهروضوئية، يُمكن استخدام ركائز السيراميك في طبقات إدارة حرارية مُختلفة لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي. وفي مجال الطاقة الجديدة، يُمكن أن يُساعد استخدام السيراميك المُوصل للحرارة أيضًا في تحسين إدارة حرارة البطاريات وإطالة عمرها الافتراضي.
الأجهزة المنزلية والمنتجات الإلكترونية اليومية
يمكن استخدام الأفلام الخزفية الموصلة للحرارة في مجموعة متنوعة من الضروريات اليومية الشائعة، مثل مصابيح LED عالية الطاقة ومكونات تبريد الهواتف المحمولة، مما يمكن أن يقلل بسرعة من درجة حرارة الجهاز.
المعدات الطبية
في المجسات بالموجات فوق الصوتية وبعض المعدات الطبية عالية الدقة، يمكن للتوصيل الحراري العالي للمواد السيراميكية مع العزل الكهربائي ضمان استقرار وأمان أداء المعدات.
خاتمة
يتطلب اختيار أفضل مادة سيراميكية موصلة للحرارة دراسةً شاملةً لعوامل مختلفة. شكرًا لقراءة هذا المقال، وآمل أن يفيدك.
تعرف على المزيد حول المواد السيراميكية.