Met de snelle ontwikkeling van de moderne industrie is thermisch beheer een belangrijke factor geworden die de prestaties en betrouwbaarheid van producten beïnvloedt. Van high-performance computing-apparatuur tot lucht- en ruimtevaartcomponenten: de keuze voor efficiënte thermische geleidbaarheidsmaterialen is een noodzakelijke overweging geworden voor deze hoogwaardige toepassingen.
Keramische materialen presteren uitstekend op het gebied van thermische geleidbaarheid dankzij hun unieke combinatie van eigenschappen. Hun thermische geleidbaarheid is beter dan die van traditionele kunststoffen en ze bieden ook uitstekende elektrische isolatieprestaties, wat zeer geschikt is voor de elektronica. Zo is de thermische geleidbaarheid van gangbare aluminiumnitride (AlN) keramische materialen maar liefst 180 W/mK, veel hoger dan die van gewone technische kunststoffen (0,2-0,4 W/mK). Deze superieure combinatie van thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie maakt keramische materialen een onvervangbare en belangrijke positie in toepassingen zoals elektronische verpakkingen en warmteafvoerende substraten.
Ben je benieuwd welke 10 keramische materialen de beste warmtegeleiding hebben? Volg ons en lees verder, dan vind je het antwoord.
Snelle links
- Wat is thermische geleidbaarheid?
- Thermische geleidbaarheidstabel van veelvoorkomende keramische materialen
- De tien keramische materialen met de hoogste thermische geleidbaarheid
- Hoe kiest u het keramische materiaal met de beste thermische geleidbaarheid?
- Toepassing van keramische thermisch geleidende materialen
Wat is thermische geleidbaarheid?
Thermische geleidbaarheid Is een belangrijke indicator voor de thermische geleidbaarheid van materialen. De eenheid is Watt per meter Kelvin (W/mK). Deze prestatie-indicator geeft de sterkte van de thermische geleidbaarheid van het materiaal weer. Houd er rekening mee dat de thermische geleidbaarheid van keramische materialen niet constant is. Deze wordt beïnvloed door verschillende factoren, zoals het productieproces, de zuiverheid van het materiaal, de korrelgrootte en de bedrijfstemperatuur, die van invloed zijn op de uiteindelijke thermische geleidbaarheid van keramische materialen.
Thermische geleidbaarheidstabel van veelvoorkomende keramische materialen
In daadwerkelijke toepassingen kan de thermische geleidbaarheid van materialen enigszins variëren als gevolg van de zuiverheid, kristalstructuur, verwerkingstechnologie en externe omgevingsfactoren.
|
Keramische materialen |
Thermische geleidbaarheid (W/m·K) |
|
Aluminium nitride (AIN) |
170 |
|
Berylliumoxide (BeO) |
260 |
|
Siliciumcarbide (SiC) |
120-200 |
|
Siliciumnitride (Si3N4) |
20-30 |
|
Aluminiumoxide (Al2O3) |
25-35 |
|
Magnesia (MgO) |
60 |
|
Zirkonia (ZrO2) |
2-3 |
|
Boornitride (BN) |
60 |
|
Boorcarbide (B4C) |
30-50 |
|
Yttriumoxide (Y2O3) |
12 |
|
Titaanoxide (TiO2) |
11 |
|
Siliciumoxide (SiO2) |
1.4 |
|
Wolfraamcarbide (WC) |
85-100 |
|
Niobiumoxide (Nb2O5) |
6-8 |
|
Indiumoxide (ln2O3) |
15 |
|
Calciumaluminaat (CaAl2O4) |
6-10 |
|
Lanthaanoxide (La2O3) |
12-15 |
|
Rhodiumoxide (Rh2O3) |
40-50 |
|
Siliciumcarbide-grafiet composietkeramiek (SiC-C) |
120-200 |
|
Composietkeramiek van siliciumnitride en aluminiumoxide (Si3N4 Al203) |
20-40 |
|
Alumina-siliciumcarbide composietkeramiek (AI2O3- SiC) |
50-70 |
|
Aluminium nitride-alumina composiet keramiek (AIN- Al2O3) |
100-150 |
|
Zirkonia-yttriumoxide composietkeramiek (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
|
Alumina-zirconia composietkeramiek (AI203-ZrO2) |
10-20 |
|
Composietkeramiek van siliciumnitride en siliciumcarbide (Si3N4-SiC) |
80-120 |
|
Siliciumcarbide-boronnitride composietkeramiek (SiC-BN) |
100-150 |
|
Alumina-grafiet composietkeramiek (AI203-C) |
30-50 |
|
Alumina-magnesia composietkeramiek (AI2O3-MgO) |
50-70 |
De tien keramische materialen met de hoogste thermische geleidbaarheid
Berylliumoxide (BeO)
Berylliumoxide is een van de keramische materialen met de beste thermische geleidbaarheid van dit moment. De thermische geleidbaarheid varieert van 184-300 W/mK, wat zeer dicht in de buurt komt van de thermische geleidbaarheid van sommige metalen. De superieure thermische geleidbaarheid is te danken aan de unieke kristalstructuur en de sterke covalente bindingseigenschappen.
Berylliumoxide heeft niet alleen een uitstekende thermische geleidbaarheid, maar ook elektrische isolatie-eigenschappen en een lage diëlektrische constante. De druksterkte kan oplopen tot 245 MPa en het materiaal is goed bestand tegen thermische schokken. Het is een essentieel onderdeel voor thermisch beheer van satellietcommunicatiesystemen in de lucht- en ruimtevaart; het is ook een uitstekend substraat voor warmteafvoer in RF-apparaten met hoog vermogen.
Berylliumoxide kent echter ook grote uitdagingen. De grondstoffen van berylliumoxide zijn giftig en moeten onder strikte veiligheidsvoorwaarden worden geproduceerd. Bovendien is het productieproces zeer complex. Sommige factoren hebben geleid tot de hoge productiekosten.
Aluminiumnitride (AlN)
Aluminium nitride is een thermisch geleidend keramisch materiaal met uitstekende prestaties. De thermische geleidbaarheid ligt tussen 140 en 180 W/mK. Aluminiumnitride, een keramisch materiaal, heeft de laatste jaren veel aandacht getrokken vanwege zijn superieure prestaties.
Aluminiumnitride combineert een uitstekende thermische geleidbaarheid met uitstekende elektrische isolatieprestaties en heeft een thermische uitzettingscoëfficiënt die vergelijkbaar is met die van siliciumhalfgeleiders (4,5 × 10^-6/K), wat een uniek voordeel is op het gebied van elektronische verpakkingen. De hoge thermische geleidbaarheid kan worden gebruikt voor warmteafvoer van ledchips, warmteafvoersubstraten voor vermogensmodules, radiofrequentieapparaten en grootschalige geïntegreerde schakelingen, en kan de levensduur van deze apparaten aanzienlijk verbeteren.
Siliciumcarbide (SiC)
De thermische geleidbaarheid van siliciumcarbide varieert van 120-180 W/mK. Het is een hoogwaardig keramisch materiaal met extreem brede toepassingsmogelijkheden en is onvervangbaar in veel high-end sectoren.
Naast een uitstekende thermische geleidbaarheid heeft siliciumcarbide ook een uitstekende mechanische sterkte, een buigsterkte van > 400 MPa, een extreem hoge hardheid en een goede slijtvastheid. In sommige industriële toepassingen wordt siliciumcarbide veel gebruikt in hogetemperatuurwarmtewisselaars, mechanische afdichtingen, lagers en snijgereedschappen vanwege de unieke combinatie van eigenschappen. In de elektronische sector is het ook een zeer belangrijk verpakkingsmateriaal.
Koper-aluminiumoxide (CuAlO2)
Koper-aluminiumoxide is een nieuw type composietkeramisch materiaal. De thermische geleidbaarheid ligt tussen de 100 en 200 W/mK. Het heeft zowel een goede thermische als elektrische geleidbaarheid en kan nieuwe oplossingen bieden voor specifieke scenario's.
In de elektronica-industrie heeft het de aandacht getrokken vanwege zijn dubbele elektrische en thermische geleidbaarheid. Het is terug te vinden in de productie van sommige thermo-elektrische apparaten en hoogwaardige elektronische componenten.
Boornitride (BN)
Boornitride staat bekend om zijn unieke gelaagde structuur en variabele thermische geleidbaarheid, variërend van 20-300 W/mK, afhankelijk van de structuur. Hexagonaal boornitride (h-BN) heeft een extreem hoge thermische geleidbaarheid in de vlakrichting, tot wel 200-250 W/mK, terwijl kubisch boornitride (c-BN) doorgaans een thermische geleidbaarheid heeft van 30-70 W/mK.
Boornitride vertoont een uitstekende stabiliteit bij hoge temperaturen, chemische inertheid en zelf-smering, en de uitstekende elektrische isolatie en lage diëlektrische constante maken het zeer geschikt voor elektronica. Wat uw speciale aandacht verdient, is dat boornitride nog steeds een stabiele thermische geleidbaarheid kan behouden in omgevingen met hoge temperaturen, iets wat voor veel andere materialen moeilijk te bereiken is.
Boornitride kent een breed scala aan toepassingen op het gebied van thermische geleidbaarheid. In de lucht- en ruimtevaartindustrie kan boornitride breed worden gebruikt in isolatiecomponenten en thermische beheersystemen voor hoge temperaturen. In de elektronica-industrie is het ook een uitstekend warmteafvoerend substraat en thermisch geleidend interfacemateriaal.
Titaniumdiboride (TiB2)
De thermische geleidbaarheid van titaniumdiboride ligt tussen de 60 en 70 W/mK. Hoewel dit niet de hoogste van alle keramische materialen is, heeft het door zijn unieke combinatie van eigenschappen een belangrijke toepassingswaarde in specifieke sectoren.
In industriële toepassingen wordt titaniumdiboride voornamelijk gebruikt in apparatuur voor de verwerking van gesmolten metaal met hoge temperaturen, snijgereedschappen en slijtvaste onderdelen.
Magnesiumoxide (MgO)
De thermische geleidbaarheid van magnesiumoxide ligt tussen de 40 en 60 W/mK. Het is een kosteneffectief thermisch geleidend keramisch materiaal dat elektrische isolatie en thermische geleidbaarheid combineert. In de elektronica is magnesiumoxide een zeer goed isolerend en warmteafvoerend materiaal. Daarnaast wordt het ook vaak gebruikt in vuurvaste materialen en componenten voor thermisch beheer.
Siliciumnitride (Si3N4)
De thermische geleidbaarheid van siliciumnitride ligt tussen de 20 en 70 W/mK, maar het heeft uitstekende mechanische eigenschappen en thermische schokbestendigheid en is onvervangbaar in bepaalde specifieke toepassingen. De extreem hoge sterkte en taaiheid zorgen ervoor dat het uitstekend presteert in omgevingen met hoge temperaturen. In elektronische toepassingen met hoge temperaturen wordt het vaak gebruikt als verpakkingsmateriaal en warmteafvoercomponent. Daarnaast is het ook een uitstekend materiaal voor motor- en transmissiesysteemcomponenten in de auto-industrie.
Aluminiumoxide (Al2O3)
De thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide is relatief laag vergeleken met de eerdere keramische materialen, variërend van 20-50 W/mK, maar vanwege de uitstekende kosteneffectiviteit en stabiele prestaties neemt het ook een zeer belangrijke positie in sommige industrieën in.
Op het gebied van elektronische verpakkingen is aluminiumoxidekeramiek het meest gebruikte verpakkingsmateriaal geworden voor elektronische apparaten met een gemiddeld en laag vermogen vanwege de goede isolatie-eigenschappen, matige thermische geleidbaarheid en gematigde prijs. Aluminiumoxide hecht goed aan metalen en is zeer geschikt voor de productie van gemetalliseerde keramische substraten.
Zirkoniumcarbide (ZrC)
Zirkoniumcarbide is een keramisch materiaal met ultrahoge temperaturen en een thermische geleidbaarheid van 20-40 W/mK. De meest opvallende kenmerken van dit materiaal zijn het extreem hoge smeltpunt (boven 3500 °C) en de uitstekende oxidatiebestendigheid. In bepaalde omgevingen met ultrahoge temperaturen vertoont zirkoniumcarbide een uitstekende thermische stabiliteit en mechanische sterkte. In de lucht- en ruimtevaartindustrie wordt zirkoniumcarbide bijvoorbeeld gebruikt voor de productie van componenten van thermische beschermingssystemen en aandrijfsystemen vanwege de uitstekende oxidatiebestendigheid en thermische stabiliteit.
Hoe kiest u het keramische materiaal met de beste thermische geleidbaarheid?
Bij het kiezen van het beste thermisch geleidende keramische materiaal dient u een uitgebreide vergelijkingsanalyse van de gegevens uit te voeren.
Volgens gezaghebbend onderzoek zullen berylliumoxide (BeO) en aluminiumnitride (AlN) de koplopers zijn op het gebied van thermische geleidbaarheid. De hoogste thermische geleidbaarheid van berylliumoxide kan 300 W/mK bereiken, gevolgd door aluminiumnitride, met een extreem hoge zuiverheid van 200 W/mK. Deze twee materialen nemen een zeer belangrijke positie in in sommige hoogwaardige elektronische verpakkingstoepassingen.
Als u een keramisch materiaal nodig heeft met een hoge prijs-kwaliteitverhouding, moet u dit apart analyseren. Hoewel de thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide relatief laag is, zijn de kosten ervan vele malen lager dan die van aluminiumnitride, waardoor het voordeliger is voor sommige toepassingen in het lagere en middensegment. Siliciumnitride en siliciumcarbide hebben een betere balans bereikt tussen prestaties en kosten en zijn geschikter voor toepassingen met hogere mechanische eigenschappen.
Volgens een temperatuurafhankelijkheidsanalyse neemt de thermische geleidbaarheid van de meeste keramische materialen af met toenemende temperatuur. Zo neemt de thermische geleidbaarheid van aluminiumnitride met ongeveer 10-15% af tussen kamertemperatuur en 100 °C. Daarentegen is de prestatievermindering van siliciumcarbide in omgevingen met hoge temperaturen relatief gering. In sommige toepassingen met hoge temperaturen biedt het gebruik van siliciumcarbide meer voordelen.
Toepassing van keramische thermisch geleidende materialen
Elektronica- en halfgeleiderindustrie
Keramiek met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals aluminiumnitride en siliciumcarbide, wordt veel gebruikt in elektronische verpakkingen en warmteafvoerende substraten. Ze kunnen warmte snel afvoeren van elektronische componenten om oververhitting, met prestatieverlies en schade tot gevolg, te voorkomen.
Aluminium nitride substraten zijn hiervoor ideale substraatmaterialen gebleken voor halfgeleiderlasers en LED-warmteafvoermodules vanwege hun extreem hoge thermische geleidbaarheid en lage thermische uitzettingscoëfficiënt.
Lucht- en ruimtevaart
De lucht- en ruimtevaartsector stelt extreem hoge eisen aan de betrouwbaarheid van materialen. In sommige vliegtuigmotoren en ruimtevaartuigen kan siliciumcarbidekeramiek worden verwerkt tot spuitmonden en warmtewisselaars vanwege de thermische geleidbaarheid en hoge temperatuurstabiliteit. Deze materialen kunnen warmte snel geleiden en afvoeren bij extreme temperaturen, wat de stabiliteit van de apparatuur verbetert.
Hogetemperatuurwarmtewisselaars en energiebesparende apparatuur
Keramische warmtewisselaars zijn zeer belangrijke componenten in de chemische en metallurgische industrie. Het gebruik van keramische materialen met een hoge thermische geleidbaarheid, zoals siliciumcarbide, kan nu de efficiëntie van de warmtewisseling verbeteren en energieverlies verminderen.
Fotovoltaïsche en nieuwe energievelden
In fotovoltaïsche celmodules kunnen keramische substraten worden gebruikt in verschillende thermische beheerlagen om de foto-elektrische conversie-efficiëntie te verbeteren. Op het gebied van nieuwe energie kan de toepassing van thermisch geleidende keramiek ook helpen het thermische beheer van batterijen te verbeteren en de levensduur te verlengen.
Huishoudelijke apparaten en dagelijkse elektronische producten
Thermisch geleidende keramische films kunnen worden gebruikt in een groot aantal alledaagse benodigdheden, zoals krachtige LED-lampen en koelcomponenten voor mobiele telefoons, die de temperatuur van het apparaat snel kunnen verlagen.
Medische apparatuur
In ultrasoonsondes en sommige medische precisieapparatuur kan de hoge thermische geleidbaarheid van keramische materialen in combinatie met elektrische isolatie de stabiliteit en veiligheid van de apparatuurprestaties garanderen.
Conclusie
Het kiezen van het beste keramische thermisch geleidende materiaal vereist een uitgebreide afweging van verschillende factoren. Bedankt voor het lezen van dit artikel en ik hoop dat het u kan helpen.
Leer meer over keramische materialen.