Dengan pesatnya perkembangan industri modern, manajemen termal telah menjadi faktor utama yang memengaruhi kinerja dan keandalan produk. Dari perangkat komputasi berkinerja tinggi hingga komponen kedirgantaraan, pemilihan material konduktivitas termal yang efisien telah menjadi pertimbangan penting untuk aplikasi canggih ini.
Material keramik memiliki kinerja yang luar biasa dalam bidang konduktivitas termal karena kombinasi sifat-sifatnya yang unik. Konduktivitas termalnya lebih baik daripada material plastik tradisional, dan juga dapat memberikan kinerja isolasi listrik yang sangat baik, yang sangat cocok untuk bidang elektronik. Misalnya, konduktivitas termal material keramik aluminium nitrida (AlN) biasa mencapai 180 W/mK, jauh melebihi plastik rekayasa biasa (0,2-0,4 W/mK). Kombinasi unggul antara konduktivitas termal dan kinerja isolasi listrik ini membuat material keramik memiliki posisi yang tak tergantikan dan penting dalam aplikasi seperti kemasan elektronik dan substrat pembuangan panas.
Apakah Anda ingin tahu apa saja 10 bahan keramik dengan konduktivitas termal terbaik? Ikuti kami dan baca terus, Anda akan mendapatkan jawabannya.
Tautan Cepat
- Apa itu Konduktivitas Termal?
- Tabel Konduktivitas Termal Bahan Keramik Umum
- Sepuluh Bahan Keramik Dengan Konduktivitas Termal Tertinggi
- Bagaimana Memilih Material Keramik dengan Konduktivitas Termal Terbaik?
- Aplikasi Bahan Konduktif Termal Keramik
Apa itu Konduktivitas Termal?
Konduktivitas termal merupakan indikator penting untuk mengukur konduktivitas termal suatu material. Satuannya adalah Watt per meter Kelvin (W/mK). Indikator kinerja ini mencerminkan kekuatan konduktivitas termal suatu material. Perlu diperhatikan bahwa konduktivitas termal material keramik tidaklah konstan. Hal ini dipengaruhi oleh berbagai faktor, baik itu proses pembuatan, kemurnian material, ukuran butiran, dan suhu pengoperasian, yang akan memengaruhi konduktivitas termal akhir material keramik.
Tabel Konduktivitas Termal Bahan Keramik Umum
Dalam aplikasi sesungguhnya, konduktivitas termal suatu material dapat sedikit bervariasi karena kemurnian, struktur kristal, teknologi pemrosesan, dan faktor lingkungan eksternal.
|
Bahan keramik |
Konduktivitas termal (W/m·K) |
|
Aluminium nitrida (AIN) |
170 |
|
Berilium oksida (BeO) |
260 |
|
Silikon karbida (SiC) |
120-200 |
|
Silikon nitrida (Si3N4) |
20-30 |
|
Aluminium (Al2O3) |
25-35 |
|
Magnesium (MgO) |
60 |
|
Zirkonia (ZrO2) |
2-3 |
|
Boron nitrida (BN) |
60 |
|
Boron karbida (B4C) |
30-50 |
|
Itrium oksida (Y2O3) |
12 |
|
Titanium oksida (TiO2) |
11 |
|
Silikon oksida (SiO2) |
1.4 |
|
Karbida tungsten (WC) |
85-100 |
|
Niobium Oksida (Nb2O5) |
6-8 |
|
Indium oksida (ln2O3) |
15 |
|
Kalsium aluminat (CaAl2O4) |
6-10 |
|
Lantanum oksida (La2O3) |
12-15 |
|
Rodium oksida (Rh2O3) |
40-50 |
|
Komposit keramik silikon karbida-grafit (SiC-C) |
120-200 |
|
Keramik komposit silikon nitrida-alumina (Si3N4 (Al203) |
20-40 |
|
Komposit keramik alumina-silikon karbida (AI2O3- (SiC) |
50-70 |
|
Keramik komposit aluminium nitrida-alumina (AIN- Al2O3) |
100-150 |
|
Komposit keramik zirkonia-yttrium oksida (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
|
Keramik komposit alumina-zirkonia (AI203-ZrO2) |
10-20 |
|
Keramik komposit silikon nitrida-silikon karbida (Si3N4-SiC) |
80-120 |
|
Komposit keramik silikon karbida-boron nitrida (SiC-BN) |
100-150 |
|
Keramik komposit alumina-grafit (AI203-C) |
30-50 |
|
Keramik komposit alumina-magnesia (AI2O3-MgO) |
50-70 |
Sepuluh Bahan Keramik Dengan Konduktivitas Termal Tertinggi
Berilium Oksida (BeO)
Berilium oksida merupakan salah satu bahan keramik dengan konduktivitas termal terbaik saat ini. Konduktivitas termalnya berkisar antara 184-300 W/mK, yang sangat mendekati konduktivitas termal beberapa bahan logam. Konduktivitas termalnya yang unggul disebabkan oleh struktur kristalnya yang unik dan karakteristik ikatan kovalen yang kuat.
Berilium oksida tidak hanya memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, tetapi juga memiliki sifat isolasi listrik dan konstanta dielektrik yang rendah. Kekuatan tekannya dapat mencapai 245MPa dan memiliki ketahanan guncangan termal yang baik. Ini adalah komponen manajemen termal yang penting untuk sistem komunikasi satelit di bidang kedirgantaraan; ini juga merupakan substrat pembuangan panas yang sangat baik dalam perangkat RF berdaya tinggi.
Namun, berilium oksida juga menghadapi tantangan berat. Bahan baku berilium oksida bersifat toksik dan perlu diproduksi di bawah kondisi keamanan yang ketat. Selain itu, proses produksinya sangat rumit. Beberapa faktor menyebabkan tingginya biaya produksi.
Aluminium Nitrida (AlN)
Aluminium nitrida adalah material keramik konduktif termal dengan kinerja yang sangat baik. Kisaran konduktivitas termalnya antara 140-180 W/mK. Dalam beberapa tahun terakhir, aluminium nitrida, material keramik, telah menarik banyak perhatian karena kinerjanya yang sangat unggul.
Aluminium nitrida memiliki kombinasi sempurna antara konduktivitas termal dan kinerja isolasi listrik yang sangat baik, dan memiliki koefisien ekspansi termal yang mirip dengan semikonduktor berbasis silikon (4,5×10^-6/K), yang menunjukkan keunggulan unik di bidang pengemasan elektronik. Konduktivitas termalnya yang tinggi dapat digunakan untuk pembuangan panas chip LED, substrat pembuangan panas untuk modul daya, perangkat frekuensi radio, dan sirkuit terpadu skala besar, dan dapat meningkatkan masa pakai perangkat ini secara signifikan.
Karbida silikon (SiC)
Konduktivitas termal dari silikon karbida berkisar antara 120-180 W/mK. Ini adalah material keramik berkinerja tinggi dengan aplikasi yang sangat luas dan tidak tergantikan di banyak bidang kelas atas.
Selain konduktivitas termal yang sangat baik, silikon karbida juga memiliki kekuatan mekanis yang sangat baik, kekuatan tekuk >400MPa, dan kekerasan yang sangat tinggi serta ketahanan aus yang baik. Dalam beberapa aplikasi industri, silikon karbida banyak digunakan dalam penukar panas suhu tinggi, segel mekanis, bantalan, dan alat pemotong karena kombinasi sifatnya yang unik, dan di bidang aplikasi elektronik, silikon karbida juga merupakan bahan pengemasan yang sangat penting.
Tembaga Aluminium Oksida (CuAlO2)
Tembaga aluminium oksida merupakan jenis baru material keramik oksida komposit. Konduktivitas termalnya berada pada kisaran 100-200 W/mK. Ia memiliki konduktivitas termal dan listrik yang baik dan dapat memberikan solusi baru untuk beberapa skenario tertentu.
Dalam industri elektronik, ia menarik perhatian karena konduktivitas listrik dan termal gandanya. Ia dapat dilihat dalam pembuatan beberapa perangkat termoelektrik dan komponen elektronik berkinerja tinggi.
Boron Nitrida (BN)
Boron nitrida dikenal karena struktur berlapisnya yang unik dan konduktivitas termal yang bervariasi, berkisar antara 20-300 W/mK, tergantung pada strukturnya. Di antara semuanya, boron nitrida heksagonal (h-BN) memiliki konduktivitas termal yang sangat tinggi pada arah bidang, hingga 200-250 W/mK, sedangkan boron nitrida kubik (c-BN) biasanya memiliki konduktivitas termal 30-70 W/mK.
Boron nitrida menunjukkan stabilitas suhu tinggi yang sangat baik, kelembaman kimia, dan pelumasan sendiri, serta kinerja isolasi listriknya yang sangat baik dan konstanta dielektrik yang rendah membuatnya sangat baik di bidang elektronik. Yang perlu mendapat perhatian khusus adalah bahwa boron nitrida masih dapat mempertahankan konduktivitas termal yang stabil di lingkungan suhu tinggi, yang sulit dicapai oleh banyak bahan lainnya.
Boron nitrida memiliki berbagai macam aplikasi konduktivitas termal. Dalam industri kedirgantaraan, boron nitrida dapat digunakan secara luas dalam komponen insulasi suhu tinggi dan sistem manajemen termal. Dalam industri elektronik, boron nitrida juga merupakan substrat pembuangan panas dan bahan antarmuka konduktif termal yang sangat baik.
Titanium DiBorid (TiB2)
Konduktivitas termal titanium diborida berada pada kisaran 60-70 W/mK. Meskipun bukan yang tertinggi di antara banyak bahan keramik, kombinasi sifat-sifatnya yang unik membuatnya memiliki nilai aplikasi penting dalam bidang-bidang tertentu.
Dalam aplikasi industri, titanium diborida terutama digunakan dalam peralatan pengolahan logam cair suhu tinggi, peralatan pemotong, dan komponen tahan aus.
Magnesium Oksida (MgO)
Konduktivitas termal magnesium oksida berada pada kisaran 40-60 W/mK. Ini adalah bahan keramik konduktif termal yang hemat biaya yang dapat menggabungkan isolasi listrik dan konduktivitas termal. Di bidang elektronik, magnesium oksida adalah bahan isolasi dan penghilang panas yang sangat baik. Selain itu, magnesium oksida juga sering digunakan dalam bahan tahan api dan komponen manajemen termal.
Silikon Nitrida (Si3N4)
Konduktivitas termal silikon nitrida berada pada kisaran 20-70 W/mK, tetapi silikon nitrida memiliki sifat mekanis dan stabilitas guncangan termal yang sangat baik, dan tidak tergantikan dalam aplikasi tertentu. Kekuatan dan ketangguhannya yang sangat tinggi memungkinkannya bekerja dengan baik di lingkungan bersuhu tinggi. Dalam aplikasi elektronik bersuhu tinggi, silikon nitrida sering digunakan sebagai bahan pengemas dan komponen pembuangan panas. Selain itu, silikon nitrida juga merupakan bahan yang sangat baik untuk komponen mesin dan sistem transmisi dalam industri otomotif.
Aluminium (Al2O3)
Konduktivitas termal dari alumina relatif rendah dibandingkan dengan bahan keramik sebelumnya, berkisar antara 20-50 W/mK, tetapi karena efektivitas biaya yang sangat baik dan kinerja yang stabil, ia juga menempati posisi yang sangat penting di beberapa industri.
Di bidang pengemasan elektronik, keramik alumina telah menjadi bahan pengemasan pilihan untuk perangkat elektronik berdaya sedang dan rendah karena sifat insulasinya yang baik, konduktivitas termal sedang, dan harganya terjangkau. Alumina memiliki ikatan yang baik dengan logam dan sangat cocok untuk membuat substrat keramik berlapis logam.
Karbida Zirkonium (ZrC)
Karbida zirkonium merupakan material keramik bersuhu sangat tinggi dengan konduktivitas termal 20-40 W/mK. Fitur yang paling menonjol dari material ini adalah titik lelehnya yang sangat tinggi (lebih dari 3500°C) dan ketahanan oksidasi yang sangat baik. Dalam lingkungan bersuhu sangat tinggi tertentu, karbida zirkonium menunjukkan stabilitas termal dan kekuatan mekanis yang sangat baik. Misalnya, dalam industri kedirgantaraan, karbida zirkonium digunakan untuk memproduksi komponen sistem proteksi termal dan komponen sistem propulsi karena ketahanan oksidasi dan stabilitas termalnya yang sangat baik.
Bagaimana Memilih Material Keramik dengan Konduktivitas Termal Terbaik?
Saat memilih bahan keramik konduktif termal terbaik, Anda harus melakukan analisis perbandingan data yang komprehensif.
Menurut penelitian yang sah, berilium oksida (BeO) dan aluminium nitrida (AlN) akan berada di posisi terdepan dalam hal konduktivitas termal. Konduktivitas termal tertinggi berilium oksida dapat mencapai 300 W/mK, sedangkan aluminium nitrida berada di urutan kedua, dengan kemurnian yang sangat tinggi mencapai 200 W/mK. Kedua bahan ini menempati posisi yang sangat penting dalam beberapa aplikasi pengemasan elektronik kelas atas.
Jika Anda memerlukan material keramik dengan kinerja biaya tinggi, Anda perlu menganalisisnya secara terpisah. Meskipun konduktivitas termal aluminium oksida relatif rendah, biayanya beberapa kali lebih rendah daripada aluminium nitrida, yang membuatnya lebih menguntungkan dalam beberapa aplikasi kelas bawah dan menengah. Silikon nitrida dan silikon karbida telah mencapai keseimbangan yang lebih baik antara kinerja dan biaya, dan lebih cocok untuk beberapa kesempatan dengan sifat mekanis yang lebih tinggi.
Menurut analisis ketergantungan suhu, konduktivitas termal sebagian besar bahan keramik menurun seiring dengan peningkatan suhu. Misalnya, konduktivitas termal aluminium nitrida menurun sekitar 10-15% antara suhu ruangan dan 100°C. Sebaliknya, penurunan kinerja silikon karbida di lingkungan suhu tinggi relatif kecil. Dalam beberapa aplikasi suhu tinggi, Anda akan memperoleh lebih banyak keuntungan dalam penggunaan silikon karbida.
Aplikasi Bahan Konduktif Termal Keramik
Industri elektronik dan semikonduktor
Keramik dengan konduktivitas termal tinggi, seperti aluminium nitrida dan silikon karbida, banyak digunakan dalam kemasan elektronik dan substrat pembuangan panas. Keramik ini dapat dengan cepat memindahkan panas dari komponen elektronik untuk mencegahnya dari panas berlebih, yang mengakibatkan penurunan kinerja dan kerusakan.
Di antara mereka, substrat aluminium nitrida telah menjadi bahan substrat yang ideal untuk laser semikonduktor dan modul pembuangan panas LED karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi dan koefisien ekspansi termal yang rendah.
Ruang angkasa
Bidang kedirgantaraan memiliki persyaratan yang sangat tinggi untuk keandalan material. Pada beberapa mesin pesawat terbang dan wahana antariksa, keramik silikon karbida dapat dibuat menjadi nosel dan penukar panas karena konduktivitas termal dan stabilitas suhu tinggi. Material ini dapat dengan cepat menghantarkan dan menghilangkan panas dalam suhu ekstrem, sehingga meningkatkan stabilitas pengoperasian peralatan.
Penukar panas suhu tinggi dan peralatan hemat energi
Penukar panas keramik merupakan komponen yang sangat penting dalam industri kimia dan metalurgi. Penggunaan material keramik dengan konduktivitas termal tinggi seperti silikon karbida kini dapat meningkatkan efisiensi pertukaran panas dan mengurangi kehilangan energi.
Bidang fotovoltaik dan energi baru
Pada modul sel fotovoltaik, substrat keramik dapat digunakan dalam berbagai lapisan manajemen termal untuk membantu meningkatkan efisiensi konversi fotolistrik. Di bidang energi baru, penerapan keramik konduktif termal juga dapat membantu meningkatkan manajemen termal baterai dan memperpanjang masa pakai.
Peralatan rumah tangga dan produk elektronik sehari-hari
Film keramik konduktif termal dapat digunakan dalam berbagai kebutuhan sehari-hari, seperti lampu LED daya tinggi dan komponen pendingin ponsel, yang dapat dengan cepat mengurangi suhu perangkat.
Peralatan medis
Pada probe ultrasonik dan beberapa peralatan medis presisi tinggi, konduktivitas termal yang tinggi dari bahan keramik yang dikombinasikan dengan isolasi listrik dapat memastikan stabilitas dan keamanan kinerja peralatan.
Kesimpulan
Memilih bahan konduktif termal keramik terbaik memerlukan pertimbangan menyeluruh dari berbagai faktor. Terima kasih telah membaca artikel ini dan saya harap ini dapat membantu Anda.
Pelajari lebih lanjut tentang material keramik.