Con il rapido sviluppo dell'industria moderna, la gestione termica è diventata un fattore chiave che influenza le prestazioni e l'affidabilità dei prodotti. Dai dispositivi di elaborazione ad alte prestazioni ai componenti aerospaziali, la scelta di materiali con elevata conducibilità termica è diventata un fattore imprescindibile per queste applicazioni di fascia alta.
I materiali ceramici offrono prestazioni eccezionali nel campo della conduttività termica grazie alla loro combinazione unica di proprietà. La loro conduttività termica è migliore di quella dei materiali plastici tradizionali e possono anche fornire eccellenti prestazioni di isolamento elettrico, il che li rende particolarmente adatti al settore dell'elettronica. Ad esempio, la conduttività termica dei comuni materiali ceramici in nitruro di alluminio (AlN) arriva fino a 180 W/mK, superando di gran lunga quella delle normali materie plastiche ingegneristiche (0,2-0,4 W/mK). Questa combinazione superiore di conduttività termica e prestazioni di isolamento elettrico rende i materiali ceramici insostituibili e di fondamentale importanza in applicazioni come il packaging elettronico e i substrati per la dissipazione del calore.
Siete curiosi di sapere quali sono i 10 materiali ceramici con la migliore conduttività termica? Continuate a leggere e troverete la risposta.
Collegamenti rapidi
- Che cos'è la conduttività termica?
- Tabella di conduttività termica dei materiali ceramici comuni
- I dieci materiali ceramici con la più alta conduttività termica
- Come scegliere il materiale ceramico con la migliore conduttività termica?
- Applicazione di materiali ceramici termoconduttivi
Che cos'è la conduttività termica?
Conduttività termica È un indicatore importante per misurare la conduttività termica dei materiali. La sua unità di misura è il Watt per metro Kelvin (W/mK). Questo indicatore di prestazione riflette la conduttività termica del materiale. È importante notare che la conduttività termica dei materiali ceramici non è costante. È influenzata da vari fattori, tra cui il processo di fabbricazione, la purezza del materiale, la granulometria e la temperatura di esercizio, che influiscono sulla conduttività termica finale dei materiali ceramici.
Tabella di conduttività termica dei materiali ceramici comuni
Nelle applicazioni reali, la conduttività termica dei materiali può variare leggermente a causa della purezza, della struttura cristallina, della tecnologia di lavorazione e dei fattori ambientali esterni.
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Materiali ceramici |
Conduttività termica (W/m·K) |
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Nitruro di alluminio (AIN) |
170 |
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ossido di berillio (BeO) |
260 |
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Carburo di silicio (SiC) |
120-200 |
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Nitruro di silicio (Si3N4) |
20-30 |
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Allumina (Al2O3) |
25-35 |
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Magnesia (MgO) |
60 |
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Zirconia (ZrO2) |
2-3 |
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Nitruro di boro (BN) |
60 |
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Carburo di boro (B4C) |
30-50 |
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ossido di ittrio (Y2O3) |
12 |
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ossido di titanio (TiO2) |
11 |
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Ossido di silicio (SiO2) |
1.4 |
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Carburo di tungsteno (WC) |
85-100 |
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Ossido di niobio (Nb2O5) |
6-8 |
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ossido di indio (ln2O3) |
15 |
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Alluminato di calcio (CaAl2O4) |
6-10 |
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Ossido di lantanio (La2O3) |
12-15 |
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Ossido di rodio (Rh2O3) |
40-50 |
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Ceramica composita di carburo di silicio e grafite (SiC-C) |
120-200 |
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Ceramica composita di nitruro di silicio-allumina (Si3N4 Al203) |
20-40 |
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Ceramica composita di allumina e carburo di silicio (AI2O3- SiC) |
50-70 |
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Ceramica composita di nitruro di alluminio-allumina (AIN- Al2O3) |
100-150 |
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Ceramica composita di ossido di zirconia-ittrio (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
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Ceramica composita di allumina-zirconia (AI203-ZrO2) |
10-20 |
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Ceramica composita di nitruro di silicio-carburo di silicio (Si3N4-SiC) |
80-120 |
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Ceramica composita di carburo di silicio e nitruro di boro (SiC-BN) |
100-150 |
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Ceramica composita allumina-grafite (AI203-C) |
30-50 |
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Ceramica composita allumina-magnesia (AI2O3-MgO) |
50-70 |
I dieci materiali ceramici con la più alta conduttività termica
Ossido di berillio (BeO)
L'ossido di berillio è uno dei materiali ceramici con la migliore conduttività termica attualmente disponibile. La sua conduttività termica varia da 184 a 300 W/mK, un valore molto vicino a quello di alcuni materiali metallici. La sua superiore conduttività termica è dovuta alla sua esclusiva struttura cristallina e alle forti caratteristiche di legame covalente.
L'ossido di berillio non solo ha un'eccellente conduttività termica, ma ha anche proprietà di isolamento elettrico e una bassa costante dielettrica. La sua resistenza alla compressione può raggiungere i 245 MPa e ha una buona resistenza agli shock termici. È un componente essenziale per la gestione termica dei sistemi di comunicazione satellitare in ambito aerospaziale; è anche un eccellente substrato per la dissipazione del calore nei dispositivi RF ad alta potenza.
Tuttavia, l'ossido di berillio deve anche affrontare gravi sfide. Le materie prime che lo compongono sono tossiche e devono essere prodotte in rigorose condizioni di sicurezza. Inoltre, il suo processo produttivo è molto complesso. Alcuni fattori hanno determinato i suoi elevati costi di produzione.
Nitruro di alluminio (AlN)
nitruro di alluminio è un materiale ceramico termoconduttivo con prestazioni eccellenti. Il suo intervallo di conduttività termica è compreso tra 140 e 180 W/mK. Negli ultimi anni, il nitruro di alluminio, un materiale ceramico, ha attirato molta attenzione grazie alle sue prestazioni superiori.
Il nitruro di alluminio offre una combinazione perfetta di eccellente conduttività termica e prestazioni di isolamento elettrico, e presenta un coefficiente di dilatazione termica simile a quello dei semiconduttori al silicio (4,5×10^-6/K), il che rappresenta un vantaggio unico nel campo del packaging elettronico. La sua elevata conduttività termica può essere utilizzata per la dissipazione del calore di chip LED, substrati di dissipazione del calore per moduli di potenza, dispositivi a radiofrequenza e circuiti integrati su larga scala, e può migliorare significativamente la durata di questi dispositivi.
Carburo di silicio (SiC)
La conduttività termica di carburo di silicio varia da 120 a 180 W/mK. È un materiale ceramico ad alte prestazioni con applicazioni estremamente ampie e insostituibile in molti settori di fascia alta.
Oltre all'eccellente conduttività termica, il carburo di silicio presenta anche un'eccellente resistenza meccanica, una resistenza alla flessione > 400 MPa, un'elevatissima durezza e una buona resistenza all'usura. In alcune applicazioni industriali, il carburo di silicio è ampiamente utilizzato in scambiatori di calore ad alta temperatura, tenute meccaniche, cuscinetti e utensili da taglio grazie alla sua combinazione unica di proprietà e, nel campo delle applicazioni elettroniche, è anche un materiale di imballaggio molto importante.
Ossido di rame e alluminio (CuAlO2)
L'ossido di rame e alluminio è un nuovo tipo di materiale ceramico composito a base di ossido. La sua conduttività termica è compresa tra 100 e 200 W/mK. Presenta una buona conduttività sia termica che elettrica e può fornire nuove soluzioni per alcuni scenari specifici.
Nell'industria elettronica, ha attirato l'attenzione per la sua doppia conduttività elettrica e termica. È utilizzato nella produzione di alcuni dispositivi termoelettrici e componenti elettronici ad alte prestazioni.
Nitruro di boro (BN)
Il nitruro di boro è noto per la sua esclusiva struttura a strati e la conduttività termica variabile, che varia da 20 a 300 W/mK, a seconda della struttura. Tra questi, il nitruro di boro esagonale (h-BN) ha una conduttività termica estremamente elevata in direzione piana, fino a 200-250 W/mK, mentre il nitruro di boro cubico (c-BN) ha solitamente una conduttività termica di 30-70 W/mK.
Il nitruro di boro presenta un'eccellente stabilità alle alte temperature, inerzia chimica e autolubrificazione, mentre le sue eccellenti prestazioni di isolamento elettrico e la bassa costante dielettrica lo rendono un materiale molto valido nel campo dell'elettronica. Un aspetto che merita particolare attenzione è la capacità del nitruro di boro di mantenere una conduttività termica stabile anche in ambienti ad alta temperatura, caratteristica difficile da ottenere per molti altri materiali.
Il nitruro di boro ha un'ampia gamma di applicazioni in termini di conduttività termica. Nell'industria aerospaziale, il nitruro di boro può essere ampiamente utilizzato in componenti isolanti ad alta temperatura e sistemi di gestione termica. Nell'industria elettronica, è anche un eccellente substrato per la dissipazione del calore e un materiale di interfaccia termoconduttivo.
Diboruro di titanio (TiB2)
La conduttività termica del diboruro di titanio è compresa tra 60 e 70 W/mK. Sebbene non sia la più elevata tra molti materiali ceramici, la sua combinazione unica di proprietà gli conferisce un importante valore applicativo in campi specifici.
Nelle applicazioni industriali, il diboruro di titanio viene utilizzato principalmente nelle apparecchiature per la lavorazione di metalli fusi ad alta temperatura, negli utensili da taglio e nei componenti resistenti all'usura.
Ossido di magnesio (MgO)
La conduttività termica dell'ossido di magnesio è compresa tra 40 e 60 W/mK. Si tratta di un materiale ceramico termoconduttivo economico che può combinare isolamento elettrico e conduttività termica. Nel campo dell'elettronica, l'ossido di magnesio è un ottimo materiale isolante e dissipatore di calore. Inoltre, viene spesso utilizzato anche nei materiali refrattari e nei componenti per la gestione termica.
Nitruro di silicio (Si3N4)
La conduttività termica del nitruro di silicio è compresa tra 20 e 70 W/mK, ma presenta eccellenti proprietà meccaniche e stabilità agli shock termici, risultando insostituibile in alcune applicazioni specifiche. La sua elevatissima resistenza e tenacità gli consentono di operare in ambienti ad alta temperatura. Nelle applicazioni elettroniche ad alta temperatura, viene spesso utilizzato come materiale di imballaggio e componente per la dissipazione del calore. Inoltre, è anche un materiale eccellente per componenti di motori e sistemi di trasmissione nell'industria automobilistica.
Allumina (Al2O3)
La conduttività termica di allumina è relativamente basso rispetto ai precedenti materiali ceramici, con un range compreso tra 20 e 50 W/mK, ma grazie al suo eccellente rapporto costo-efficacia e alle prestazioni stabili, occupa anche una posizione molto importante in alcuni settori.
Nel campo del packaging elettronico, le ceramiche di allumina sono diventate il materiale di confezionamento preferito per dispositivi elettronici di media e bassa potenza grazie alle loro buone proprietà isolanti, alla moderata conduttività termica e al prezzo contenuto. L'allumina ha una buona adesione ai metalli ed è particolarmente adatta per la realizzazione di substrati ceramici metallizzati.
Carburo di zirconio (ZrC)
Il carburo di zirconio è un materiale ceramico ad altissima temperatura con una conduttività termica di 20-40 W/mK. Le caratteristiche più importanti di questo materiale sono il suo punto di fusione estremamente elevato (oltre 3500 °C) e l'eccellente resistenza all'ossidazione. In alcuni ambienti ad altissima temperatura, il carburo di zirconio mostra un'eccellente stabilità termica e resistenza meccanica. Ad esempio, nell'industria aerospaziale, il carburo di zirconio viene utilizzato per produrre componenti di sistemi di protezione termica e componenti di sistemi di propulsione grazie alla sua eccellente resistenza all'ossidazione e stabilità termica.
Come scegliere il materiale ceramico con la migliore conduttività termica?
Quando si sceglie il miglior materiale ceramico termoconduttivo, è opportuno effettuare un'analisi comparativa completa dei dati.
Secondo autorevoli ricerche, l'ossido di berillio (BeO) e il nitruro di alluminio (AlN) saranno i migliori in termini di conduttività termica. La conduttività termica più elevata dell'ossido di berillio può raggiungere i 300 W/mK, mentre il nitruro di alluminio segue a ruota, con una purezza estremamente elevata che raggiunge i 200 W/mK. Questi due materiali occupano una posizione di grande importanza in alcune applicazioni di packaging elettronico di fascia alta.
Se si necessita di un materiale ceramico con un rapporto costo-prestazioni elevato, è necessario analizzarlo separatamente. Sebbene la conduttività termica dell'ossido di alluminio sia relativamente bassa, il suo costo è notevolmente inferiore a quello del nitruro di alluminio, il che lo rende più vantaggioso in alcune applicazioni di fascia bassa e media. Il nitruro di silicio e il carburo di silicio hanno raggiunto un migliore equilibrio tra prestazioni e costo e sono più adatti in alcune applicazioni grazie alle loro proprietà meccaniche più elevate.
Secondo l'analisi della dipendenza dalla temperatura, la conduttività termica della maggior parte dei materiali ceramici diminuisce con l'aumentare della temperatura. Ad esempio, la conduttività termica del nitruro di alluminio diminuisce di circa 10-15 μT tra temperatura ambiente e 100 °C. Al contrario, il degrado delle prestazioni del carburo di silicio in ambienti ad alta temperatura è relativamente ridotto. In alcune applicazioni ad alta temperatura, l'utilizzo del carburo di silicio offre maggiori vantaggi.
Applicazione di materiali ceramici termoconduttivi
Industria elettronica e dei semiconduttori
Le ceramiche ad alta conduttività termica, come il nitruro di alluminio e il carburo di silicio, sono ampiamente utilizzate nel packaging elettronico e nei substrati per la dissipazione del calore. Possono trasferire rapidamente il calore dai componenti elettronici, evitandone il surriscaldamento, con conseguente degrado delle prestazioni e danni.
Tra questi, i substrati di nitruro di alluminio sono diventati materiali di substrato ideali per laser a semiconduttore e moduli LED di dissipazione del calore, grazie alla loro conduttività termica estremamente elevata e al basso coefficiente di dilatazione termica.
Aerospaziale
Il settore aerospaziale ha requisiti estremamente elevati in termini di affidabilità dei materiali. In alcuni motori aeronautici e veicoli spaziali, le ceramiche al carburo di silicio possono essere utilizzate per realizzare ugelli e scambiatori di calore grazie alla loro conduttività termica e alla stabilità alle alte temperature. Questi materiali possono condurre e dissipare rapidamente il calore a temperature estreme, migliorando la stabilità di funzionamento delle apparecchiature.
Scambiatori di calore ad alta temperatura e apparecchiature a risparmio energetico
Gli scambiatori di calore ceramici sono componenti molto importanti nell'industria chimica e metallurgica. L'utilizzo di materiali ceramici ad alta conduttività termica, come il carburo di silicio, può ora migliorare l'efficienza dello scambio termico e ridurre le perdite di energia.
Fotovoltaico e nuovi campi energetici
Nei moduli fotovoltaici, i substrati ceramici possono essere utilizzati in vari strati di gestione termica per migliorare l'efficienza di conversione fotoelettrica. Nel campo delle nuove energie, l'applicazione di ceramiche termoconduttive può anche contribuire a migliorare la gestione termica delle batterie e a prolungarne la durata.
Elettrodomestici e prodotti elettronici di uso quotidiano
Le pellicole ceramiche termoconduttive possono essere utilizzate in una varietà di comuni necessità quotidiane, come luci LED ad alta potenza e componenti di raffreddamento per telefoni cellulari, in grado di ridurre rapidamente la temperatura del dispositivo.
Attrezzature mediche
Nelle sonde a ultrasuoni e in alcune apparecchiature mediche ad alta precisione, l'elevata conduttività termica dei materiali ceramici, combinata con l'isolamento elettrico, può garantire la stabilità e la sicurezza delle prestazioni delle apparecchiature.
Conclusione
La scelta del miglior materiale ceramico termoconduttivo richiede una valutazione approfondita di diversi fattori. Grazie per aver letto questo articolo e spero che possa esserti utile.
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