Con el rápido desarrollo de la industria moderna, la gestión térmica se ha convertido en un factor clave que afecta al rendimiento y la fiabilidad de los productos. Desde dispositivos informáticos de alto rendimiento hasta componentes aeroespaciales, la selección de materiales con conductividad térmica eficiente se ha convertido en una consideración esencial para estas aplicaciones de alta gama.
Los materiales cerámicos destacan por su conductividad térmica gracias a su combinación única de propiedades. Su conductividad térmica es superior a la de los materiales plásticos tradicionales y, además, ofrecen un excelente aislamiento eléctrico, ideal para el sector electrónico. Por ejemplo, la conductividad térmica de los materiales cerámicos comunes de nitruro de aluminio (AlN) alcanza los 180 W/mK, superando con creces la de los plásticos de ingeniería convencionales (0,2-0,4 W/mK). Esta combinación superior de conductividad térmica y aislamiento eléctrico convierte a los materiales cerámicos en una pieza fundamental en aplicaciones como el encapsulado electrónico y los sustratos de disipación térmica.
¿Te interesa saber cuáles son los 10 materiales cerámicos con mejor conductividad térmica? Sigue leyendo y encontrarás la respuesta.
Enlaces rápidos
- ¿Qué es la conductividad térmica?
- Tabla de conductividad térmica de materiales cerámicos comunes
- Los diez materiales cerámicos con mayor conductividad térmica
- ¿Cómo elegir el material cerámico con la mejor conductividad térmica?
- Aplicación de materiales conductores térmicos cerámicos
¿Qué es la conductividad térmica?
Conductividad térmica Es un indicador importante para medir la conductividad térmica de los materiales. Su unidad es el vatio por metro Kelvin (W/mK). Este indicador de rendimiento refleja la resistencia de la conductividad térmica del material. Cabe destacar que la conductividad térmica de los materiales cerámicos no es constante. Se ve afectada por diversos factores, como el proceso de fabricación, la pureza del material, el tamaño del grano y la temperatura de operación, que inciden en la conductividad térmica final de los materiales cerámicos.
Tabla de conductividad térmica de materiales cerámicos comunes
En aplicaciones reales, la conductividad térmica de los materiales puede variar ligeramente debido a la pureza, la estructura cristalina, la tecnología de procesamiento y factores ambientales externos.
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Materiales cerámicos |
Conductividad térmica (W/m·K) |
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Nitruro de aluminio (AIN) |
170 |
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Óxido de berilio (BeO) |
260 |
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carburo de silicio (SiC) |
120-200 |
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Nitruro de silicio (Si3N4) |
20-30 |
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Alúmina (Al2O3) |
25-35 |
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Magnesia (MgO) |
60 |
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Zirconia (ZrO2) |
2-3 |
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Nitruro de boro (BN) |
60 |
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Carburo de boro (B4C) |
30-50 |
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Óxido de itrio (Y2O3) |
12 |
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Óxido de titanio (TiO2) |
11 |
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Óxido de silicio (SiO2) |
1.4 |
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Carburo de tungsteno (WC) |
85-100 |
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Óxido de niobio (Nb2O5) |
6-8 |
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Óxido de indio (ln2O3) |
15 |
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Aluminato de calcio (CaAl2O4) |
6-10 |
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Óxido de lantano (La2O3) |
12-15 |
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Óxido de rodio (Rh2O3) |
40-50 |
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Cerámica compuesta de carburo de silicio y grafito (SiC-C) |
120-200 |
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Cerámica compuesta de nitruro de silicio y alúmina (Si3N4 Al203) |
20-40 |
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Cerámica compuesta de carburo de silicio y alúmina (AI2O3- Sic) |
50-70 |
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Cerámica compuesta de nitruro de aluminio y alúmina (AIN- Al2O3) |
100-150 |
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Cerámica compuesta de óxido de zirconio e itrio (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
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Cerámica compuesta de alúmina y zirconio (AI203-ZrO2) |
10-20 |
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Cerámica compuesta de nitruro de silicio y carburo de silicio (Si3N4-SiC) |
80-120 |
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Cerámica compuesta de carburo de silicio y nitruro de boro (SiC-BN) |
100-150 |
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Cerámica compuesta de alúmina y grafito (AI203-C) |
30-50 |
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Cerámica compuesta de alúmina y magnesia (AI₂O₃-MgO) |
50-70 |
Los diez materiales cerámicos con mayor conductividad térmica
Óxido de berilio (BeO)
El óxido de berilio es uno de los materiales cerámicos con mejor conductividad térmica actualmente. Su conductividad térmica oscila entre 184 y 300 W/mK, muy similar a la de algunos materiales metálicos. Su superior conductividad térmica se debe a su singular estructura cristalina y a sus fuertes características de enlace covalente.
El óxido de berilio no solo posee una excelente conductividad térmica, sino que también posee propiedades de aislamiento eléctrico y una constante dieléctrica baja. Su resistencia a la compresión puede alcanzar los 245 MPa y presenta una buena resistencia al choque térmico. Es un componente esencial para la gestión térmica de los sistemas de comunicación por satélite en el sector aeroespacial; además, es un excelente sustrato de disipación de calor en dispositivos de radiofrecuencia de alta potencia.
Sin embargo, el óxido de berilio también enfrenta serios desafíos. Sus materias primas son tóxicas y deben producirse bajo estrictas condiciones de seguridad. Además, su proceso de producción es muy complejo. Algunos factores han contribuido a su elevado costo de producción.
Nitruro de aluminio (AlN)
nitruro de aluminio Es un material cerámico termoconductor con un rendimiento excelente. Su rango de conductividad térmica oscila entre 140 y 180 W/mK. En los últimos años, el nitruro de aluminio, un material cerámico, ha atraído mucha atención debido a su excelente rendimiento.
El nitruro de aluminio combina a la perfección una excelente conductividad térmica y un excelente aislamiento eléctrico, y posee un coeficiente de expansión térmica similar al de los semiconductores de silicio (4,5 × 10^⁻¹/K), lo que le confiere una ventaja única en el campo del encapsulado electrónico. Su alta conductividad térmica se puede utilizar para la disipación térmica de chips LED, sustratos de disipación térmica para módulos de potencia, dispositivos de radiofrecuencia y circuitos integrados a gran escala, lo que puede aumentar significativamente la vida útil de estos dispositivos.
Carburo de silicio (SiC)
La conductividad térmica de carburo de silicio Su rango de potencia oscila entre 120 y 180 W/mK. Es un material cerámico de alto rendimiento con aplicaciones extremadamente amplias y es irremplazable en muchos campos de alta tecnología.
Además de su excelente conductividad térmica, el carburo de silicio también tiene una excelente resistencia mecánica, con una resistencia a la flexión de >400 MPa, y tiene una dureza extremadamente alta y buena resistencia al desgaste.
En algunas aplicaciones industriales, el carburo de silicio se utiliza ampliamente en campos como intercambiadores de calor de alta temperatura, sellos mecánicos, rodamientos y herramientas de corte, gracias a su combinación única de propiedades. En aplicaciones electrónicas, también es un material de embalaje muy importante. En otros campos emergentes, como los vehículos de nuevas energías, su rendimiento también es muy bueno.
Óxido de cobre y aluminio (CuAlO2)
El óxido de cobre y aluminio es un nuevo tipo de material cerámico de óxido compuesto. Su conductividad térmica se encuentra entre 100 y 200 W/mK. Presenta una buena conductividad térmica y eléctrica, lo que puede ofrecer nuevas soluciones para algunos escenarios específicos.
En la industria electrónica, ha atraído la atención por su doble conductividad eléctrica y térmica. Se utiliza en la fabricación de algunos dispositivos termoeléctricos y componentes electrónicos de alto rendimiento.
Nitruro de boro (BN)
El nitruro de boro es conocido por su singular estructura en capas y su conductividad térmica variable, que oscila entre 20 y 300 W/mK, dependiendo de su estructura. Entre ellos, el nitruro de boro hexagonal (h-BN) presenta una conductividad térmica extremadamente alta en la dirección plana, de hasta 200-250 W/mK, mientras que el nitruro de boro cúbico (c-BN) suele tener una conductividad térmica de 30-70 W/mK.
El nitruro de boro presenta una excelente estabilidad a altas temperaturas, inercia química y autolubricidad. Su excelente aislamiento eléctrico y baja constante dieléctrica lo hacen muy adecuado para aplicaciones en electrónica. Cabe destacar que el nitruro de boro mantiene una conductividad térmica estable en entornos de alta temperatura, algo difícil de lograr para muchos otros materiales.
El nitruro de boro tiene una amplia gama de aplicaciones de conductividad térmica. En la industria aeroespacial, se utiliza ampliamente en componentes de aislamiento de alta temperatura y sistemas de gestión térmica. En la industria electrónica, también es un excelente sustrato de disipación de calor y material de interfaz termoconductor.
Diboruro de titanio (TiB2)
La conductividad térmica del diboruro de titanio se encuentra entre 60 y 70 W/mK. Si bien no es la más alta entre muchos materiales cerámicos, su combinación única de propiedades le confiere un importante valor de aplicación en campos específicos.
En aplicaciones industriales, el diboruro de titanio se utiliza principalmente en equipos de procesamiento de metales fundidos a alta temperatura, herramientas de corte y piezas resistentes al desgaste.
Óxido de magnesio (MgO)
La conductividad térmica del óxido de magnesio se encuentra entre 40 y 60 W/mK. Es un material cerámico termoconductor rentable que combina aislamiento eléctrico y conductividad térmica. En el campo de la electrónica, el óxido de magnesio es un excelente material aislante y disipador de calor. Además, se utiliza frecuentemente en materiales refractarios y componentes de gestión térmica.
Nitruro de silicio (Si3N4)
La conductividad térmica del nitruro de silicio se encuentra entre 20 y 70 W/mK, pero posee excelentes propiedades mecánicas y estabilidad al choque térmico, siendo indispensable en ciertas aplicaciones específicas. Su altísima resistencia y tenacidad le permiten un excelente rendimiento en entornos de alta temperatura. En aplicaciones electrónicas de alta temperatura, se utiliza a menudo como material de embalaje y componente de disipación de calor. Además, es un excelente material para componentes de motores y sistemas de transmisión en la industria automotriz.
Alúmina (Al2O3)
La conductividad térmica de alúmina es relativamente bajo en comparación con los materiales cerámicos anteriores, que oscilan entre 20 y 50 W/mK, pero debido a su excelente rentabilidad y rendimiento estable, también ocupa una posición muy importante en algunas industrias.
En el campo del encapsulado electrónico, la cerámica de alúmina se ha convertido en el material de empaque predilecto para dispositivos electrónicos de media y baja potencia gracias a sus buenas propiedades de aislamiento, conductividad térmica moderada y precio asequible. La alúmina presenta una buena adhesión a los metales y es muy adecuada para la fabricación de sustratos cerámicos metalizados.
Carburo de circonio (ZrC)
El carburo de circonio es un material cerámico de ultraalta temperatura con una conductividad térmica de 20-40 W/mK. Su característica más destacada es su altísimo punto de fusión, superior a 3500 °C, y su excelente resistencia a la oxidación. En algunos entornos de ultraalta temperatura, el carburo de circonio presenta una excelente estabilidad térmica y resistencia mecánica.
En la industria aeroespacial, el carburo de circonio se utiliza para fabricar componentes de sistemas de protección térmica y componentes de sistemas de propulsión, especialmente por su resistencia a la oxidación y estabilidad térmica.
En el sector aeroespacial, el carburo de circonio se utiliza para fabricar componentes de sistemas de protección térmica y componentes de sistemas de propulsión.
¿Cómo elegir el material cerámico con la mejor conductividad térmica?
Al elegir el mejor material cerámico conductor térmico, debe realizar un análisis de comparación de datos exhaustivo.
Según investigaciones acreditadas, el óxido de berilio (BeO) y el nitruro de aluminio (AlN) liderarán la conductividad térmica. La conductividad térmica más alta del óxido de berilio puede alcanzar los 300 W/mK, seguida de cerca por el nitruro de aluminio, con una pureza extremadamente alta que alcanza los 200 W/mK. Estos dos materiales ocupan un lugar muy importante en algunas aplicaciones de encapsulado electrónico de alta gama.
Si necesita un material cerámico con una alta relación calidad-precio, debe analizarlo por separado. Si bien la conductividad térmica del óxido de aluminio es relativamente baja, su coste es varias veces inferior al del nitruro de aluminio, lo que lo hace más ventajoso en algunas aplicaciones de gama baja y media. El nitruro de silicio y el carburo de silicio han logrado un mejor equilibrio entre rendimiento y coste, y son más adecuados para ciertas ocasiones con propiedades mecánicas más elevadas.
Según el análisis de dependencia de la temperatura, la conductividad térmica de la mayoría de los materiales cerámicos disminuye con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, la conductividad térmica del nitruro de aluminio disminuye aproximadamente entre 10 y 151 TP₃T entre temperatura ambiente y 100 °C. En cambio, la degradación del rendimiento del carburo de silicio en entornos de alta temperatura es relativamente baja. En algunas aplicaciones de alta temperatura, el carburo de silicio ofrece mayores ventajas.
Aplicación de materiales conductores térmicos cerámicos
Industrias de electrónica y semiconductores
Las cerámicas de alta conductividad térmica, como el nitruro de aluminio y el carburo de silicio, se utilizan ampliamente en encapsulados electrónicos y sustratos de disipación de calor. Permiten disipar rápidamente el calor de los componentes electrónicos, evitando así su sobrecalentamiento, lo que podría provocar una degradación del rendimiento y daños.
Entre ellos, los sustratos de nitruro de aluminio se han convertido en materiales de sustrato ideales para láseres semiconductores y módulos de disipación de calor LED debido a su conductividad térmica extremadamente alta y su bajo coeficiente de expansión térmica.
Aeroespacial
El sector aeroespacial exige una fiabilidad de los materiales extremadamente alta. En algunos motores de aeronaves y naves espaciales, la cerámica de carburo de silicio se puede utilizar para fabricar toberas e intercambiadores de calor gracias a su conductividad térmica y estabilidad a altas temperaturas. Estos materiales pueden conducir y disipar rápidamente el calor en temperaturas extremas, mejorando así la estabilidad del funcionamiento de los equipos.
Intercambiadores de calor de alta temperatura y equipos de ahorro energético
Los intercambiadores de calor cerámicos son componentes muy importantes en las industrias química y metalúrgica. El uso de materiales cerámicos de alta conductividad térmica, como el carburo de silicio, permite mejorar la eficiencia del intercambio de calor y reducir las pérdidas de energía.
Campos fotovoltaicos y nuevas energías
En los módulos de células fotovoltaicas, se pueden utilizar sustratos cerámicos en diversas capas de gestión térmica para mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica. En el campo de las nuevas energías, la aplicación de cerámica termoconductora también puede contribuir a mejorar la gestión térmica de las baterías y prolongar su vida útil.
Electrodomésticos y productos electrónicos de uso diario
Las películas cerámicas conductoras térmicas se pueden utilizar en una variedad de necesidades diarias comunes, como luces LED de alta potencia y componentes de enfriamiento de teléfonos móviles, que pueden reducir rápidamente la temperatura del dispositivo.
Equipo médico
En las sondas ultrasónicas y algunos equipos médicos de alta precisión, la alta conductividad térmica de los materiales cerámicos combinada con el aislamiento eléctrico puede garantizar la estabilidad y la seguridad del rendimiento del equipo.
Conclusión
Elegir el mejor material cerámico termoconductor requiere considerar exhaustivamente diversos factores. Gracias por leer este artículo y espero que le sea útil.
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