10 najlepszych materiałów ceramicznych o najlepszym przewodnictwie cieplnym

Wraz z dynamicznym rozwojem nowoczesnego przemysłu, zarządzanie temperaturą stało się kluczowym czynnikiem wpływającym na wydajność i niezawodność produktów. Od wysokowydajnych komputerów po komponenty lotnicze i kosmiczne, wybór materiałów o wysokiej przewodności cieplnej stał się niezbędnym czynnikiem w tych zaawansowanych zastosowaniach.

Materiały ceramiczne charakteryzują się wyjątkowymi parametrami w zakresie przewodnictwa cieplnego dzięki unikalnemu połączeniu właściwości. Ich przewodnictwo cieplne jest lepsze niż tradycyjnych tworzyw sztucznych, a ponadto zapewniają doskonałą izolację elektryczną, co jest szczególnie przydatne w elektronice. Przykładowo, przewodnictwo cieplne popularnych materiałów ceramicznych z azotku glinu (AlN) sięga 180 W/mK, znacznie przewyższając typowe tworzywa konstrukcyjne (0,2-0,4 W/mK). To doskonałe połączenie przewodnictwa cieplnego i właściwości izolacji elektrycznej sprawia, że materiały ceramiczne zajmują niezastąpioną i ważną pozycję w zastosowaniach takich jak obudowy układów elektronicznych i podłoża rozpraszające ciepło.

Ciekawi Cię, jakie są 10 materiałów ceramicznych o najlepszym przewodnictwie cieplnym? Obserwuj nas i czytaj dalej, a znajdziesz odpowiedź.

Szybkie linki

1. Co to jest przewodność cieplna?
2. Tabela przewodności cieplnej popularnych materiałów ceramicznych
3. Dziesięć materiałów ceramicznych o najwyższej przewodności cieplnej
4. Jak wybrać materiał ceramiczny o najlepszej przewodności cieplnej?
5. Zastosowanie ceramicznych materiałów przewodzących ciepło

Co to jest przewodność cieplna?

Przewodność cieplna Jest ważnym wskaźnikiem pomiaru przewodności cieplnej materiałów. Jego jednostką jest wat na metr (kelwin) (W/mK). Ten wskaźnik odzwierciedla przewodność cieplną materiału. Należy pamiętać, że przewodność cieplna materiałów ceramicznych nie jest stała. Wpływa na nią wiele czynników, takich jak proces produkcji, czystość materiału, wielkość ziarna i temperatura pracy, które wpływają na ostateczną przewodność cieplną materiałów ceramicznych.

Tabela przewodności cieplnej popularnych materiałów ceramicznych

W rzeczywistych zastosowaniach przewodność cieplna materiałów może się nieznacznie różnić ze względu na czystość, strukturę krystaliczną, technologię przetwarzania i zewnętrzne czynniki środowiskowe.

Dziesięć materiałów ceramicznych o najwyższej przewodności cieplnej

Tlenek berylu (BeO)

Tlenek berylu jest jednym z materiałów ceramicznych o najlepszym obecnie przewodnictwie cieplnym. Jego przewodność cieplna waha się w granicach 184-300 W/mK, co jest wartością bardzo zbliżoną do przewodności cieplnej niektórych metali. Jego doskonała przewodność cieplna wynika z unikalnej struktury krystalicznej i silnych wiązań kowalencyjnych.

Tlenek berylu charakteryzuje się nie tylko doskonałą przewodnością cieplną, ale również właściwościami izolacyjnymi i niską stałą dielektryczną. Jego wytrzymałość na ściskanie może sięgać 245 MPa i charakteryzuje się dobrą odpornością na szok termiczny. Jest niezbędnym elementem odprowadzania ciepła w systemach komunikacji satelitarnej w przemyśle lotniczym i kosmicznym; stanowi również doskonałe podłoże do odprowadzania ciepła w urządzeniach RF dużej mocy.

Jednak tlenek berylu również wiąże się z poważnymi wyzwaniami. Surowce tlenku berylu są toksyczne i muszą być produkowane z zachowaniem ścisłych zasad bezpieczeństwa. Ponadto proces jego produkcji jest bardzo złożony. Niektóre czynniki wpływają na wysokie koszty produkcji.

Azotek glinu (AlN)

Azotek glinu to ceramiczny materiał przewodzący ciepło o doskonałych parametrach. Jego przewodność cieplna mieści się w zakresie 140–180 W/mK. W ostatnich latach azotek glinu, materiał ceramiczny, zyskał na popularności ze względu na swoje wszechstronne, doskonałe parametry.

Azotek glinu oferuje doskonałe połączenie doskonałej przewodności cieplnej i właściwości izolacji elektrycznej. Jego współczynnik rozszerzalności cieplnej jest zbliżony do współczynnika półprzewodników krzemowych (4,5×10^-6/K), co stanowi wyjątkową zaletę w dziedzinie obudów elektronicznych. Jego wysoka przewodność cieplna może być wykorzystywana do odprowadzania ciepła z układów LED, podłoży rozpraszających ciepło w modułach mocy, urządzeniach radiowych i układach scalonych dużej skali, co może znacząco wydłużyć żywotność tych urządzeń.

Węglik krzemu (SiC)

Przewodność cieplna węglik krzemu Zakres wartości współczynnika izolacyjności cieplnej wynosi od 120 do 180 W/mK. Jest to wysokowydajny materiał ceramiczny o niezwykle szerokim zastosowaniu, niezastąpiony w wielu zaawansowanych dziedzinach.

Oprócz doskonałej przewodności cieplnej, węglik krzemu charakteryzuje się również doskonałą wytrzymałością mechaniczną, wytrzymałością na zginanie >400 MPa oraz wyjątkowo wysoką twardością i dobrą odpornością na zużycie. W niektórych zastosowaniach przemysłowych węglik krzemu jest szeroko stosowany w wysokotemperaturowych wymiennikach ciepła, uszczelnieniach mechanicznych, łożyskach i narzędziach skrawających ze względu na unikalne połączenie właściwości. W zastosowaniach elektronicznych jest również bardzo ważnym materiałem opakowaniowym.

Tlenek miedzi i glinu (CuAlO2)

Tlenek miedzi i glinu to nowy rodzaj kompozytowego materiału ceramicznego na bazie tlenku. Jego przewodność cieplna mieści się w zakresie 100-200 W/mK. Charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną i elektryczną i może stanowić nowe rozwiązania w niektórych konkretnych scenariuszach.

W przemyśle elektronicznym zyskał on popularność dzięki podwójnemu przewodnictwu elektrycznemu i cieplnemu. Można go spotkać w produkcji niektórych urządzeń termoelektrycznych i wysokowydajnych podzespołów elektronicznych.

Azotek boru (BN)

Azotek boru znany jest ze swojej unikalnej, warstwowej struktury i zmiennej przewodności cieplnej, wahającej się od 20 do 300 W/mK, w zależności od struktury. Spośród nich heksagonalny azotek boru (h-BN) charakteryzuje się wyjątkowo wysoką przewodnością cieplną w kierunku płaskim, sięgającą 200-250 W/mK, natomiast sześcienny azotek boru (c-BN) charakteryzuje się zazwyczaj przewodnością cieplną na poziomie 30-70 W/mK.

Azotek boru charakteryzuje się doskonałą stabilnością w wysokich temperaturach, obojętnością chemiczną i samosmarownością, a jego doskonałe właściwości izolacyjne i niska stała dielektryczna sprawiają, że doskonale sprawdza się w elektronice. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że azotek boru może nadal utrzymywać stabilną przewodność cieplną w środowiskach o wysokiej temperaturze, co jest trudne do osiągnięcia w przypadku wielu innych materiałów.

Azotek boru ma szerokie zastosowanie w zakresie przewodnictwa cieplnego. W przemyśle lotniczym azotek boru może być szeroko stosowany w wysokotemperaturowych elementach izolacyjnych i systemach zarządzania temperaturą. W przemyśle elektronicznym jest również doskonałym podłożem do odprowadzania ciepła i materiałem przewodzącym ciepło.

Dwuborek tytanu (TiB2)

Przewodność cieplna dwuborku tytanu mieści się w przedziale 60-70 W/mK. Chociaż nie jest to najwyższa wartość wśród wielu materiałów ceramicznych, jego unikalne połączenie właściwości sprawia, że ma on istotne znaczenie w określonych dziedzinach.

W zastosowaniach przemysłowych dwuborek tytanu używany jest głównie w urządzeniach do obróbki ciekłego metalu w wysokiej temperaturze, narzędziach skrawających i częściach odpornych na zużycie.

Tlenek magnezu (MgO)

Przewodność cieplna tlenku magnezu mieści się w zakresie 40-60 W/mK. Jest to ekonomiczny materiał ceramiczny o wysokiej przewodności cieplnej, łączący w sobie właściwości izolacji elektrycznej i przewodnictwa cieplnego. W elektronice tlenek magnezu jest bardzo dobrym materiałem izolacyjnym i odprowadzającym ciepło. Ponadto jest często stosowany w materiałach ogniotrwałych i elementach termoizolacyjnych.

Azotek krzemu (Si3N4)

Przewodność cieplna azotku krzemu mieści się w zakresie 20–70 W/mK, ale charakteryzuje się on bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi i odpornością na szok termiczny, co czyni go niezastąpionym w niektórych specyficznych zastosowaniach. Jego wyjątkowo wysoka wytrzymałość i udarność pozwalają mu dobrze sprawdzać się w środowiskach o wysokiej temperaturze. W zastosowaniach elektronicznych o wysokiej temperaturze jest często wykorzystywany jako materiał opakowaniowy i element odprowadzający ciepło. Ponadto, jest również doskonałym materiałem do produkcji elementów silników i układów przeniesienia napędu w przemyśle motoryzacyjnym.

Tlenek glinu (Al2O3)

Przewodność cieplna glinka jest stosunkowo niski w porównaniu do poprzednich materiałów ceramicznych i waha się w granicach 20–50 W/mK, ale ze względu na doskonałą opłacalność i stabilne parametry zajmuje również bardzo ważne miejsce w niektórych gałęziach przemysłu.

W dziedzinie obudów elektronicznych ceramika glinowa stała się preferowanym materiałem opakowaniowym dla urządzeń elektronicznych o średniej i niskiej mocy ze względu na dobre właściwości izolacyjne, umiarkowaną przewodność cieplną i przystępną cenę. Tlenek glinu dobrze wiąże się z metalami i doskonale nadaje się do produkcji metalizowanych podłoży ceramicznych.

Węglik cyrkonu (ZrC)

Węglik cyrkonu to ceramiczny materiał o ultrawysokiej temperaturze, charakteryzujący się przewodnością cieplną 20-40 W/mK. Jego najbardziej charakterystycznymi cechami są wyjątkowo wysoka temperatura topnienia (ponad 3500°C) oraz doskonała odporność na utlenianie. W niektórych środowiskach o ultrawysokich temperaturach węglik cyrkonu wykazuje doskonałą stabilność termiczną i wytrzymałość mechaniczną. Na przykład, w przemyśle lotniczym i kosmicznym, węglik cyrkonu jest wykorzystywany do produkcji elementów systemów ochrony termicznej i układów napędowych ze względu na doskonałą odporność na utlenianie i stabilność termiczną.

Jak wybrać materiał ceramiczny o najlepszej przewodności cieplnej?

Wybierając najlepszy materiał ceramiczny przewodzący ciepło, należy przeprowadzić kompleksową analizę porównawczą danych.

Według wiarygodnych badań, tlenek berylu (BeO) i azotek glinu (AlN) będą liderami pod względem przewodności cieplnej. Najwyższa przewodność cieplna tlenku berylu może sięgać 300 W/mK, a azotek glinu plasuje się tuż za nim, charakteryzując się wyjątkowo wysoką czystością, sięgającą 200 W/mK. Te dwa materiały zajmują bardzo ważne miejsce w niektórych zastosowaniach w obudowach elektroniki wysokiej klasy.

Jeśli potrzebujesz materiału ceramicznego o wysokiej wydajności kosztowej, musisz go przeanalizować osobno. Chociaż przewodność cieplna tlenku glinu jest stosunkowo niska, jego koszt jest kilkukrotnie niższy niż azotku glinu, co czyni go bardziej korzystnym w niektórych zastosowaniach niskiej i średniej klasy. Azotek krzemu i węglik krzemu charakteryzują się lepszym stosunkiem wydajności do ceny i są bardziej odpowiednie w niektórych zastosowaniach o wyższych właściwościach mechanicznych.

Zgodnie z analizą zależności temperaturowej, przewodność cieplna większości materiałów ceramicznych maleje wraz ze wzrostem temperatury. Na przykład, przewodność cieplna azotku glinu spada o około 10-15% między temperaturą pokojową a 100°C. Natomiast degradacja wydajności węglika krzemu w środowiskach wysokotemperaturowych jest stosunkowo niewielka. W niektórych zastosowaniach wysokotemperaturowych zastosowanie węglika krzemu przyniesie więcej korzyści.

Zastosowanie ceramicznych materiałów przewodzących ciepło

Przemysł elektroniczny i półprzewodnikowy

Materiały ceramiczne o wysokiej przewodności cieplnej, takie jak azotek glinu i węglik krzemu, są szeroko stosowane w obudowach elektronicznych i podłożach odprowadzających ciepło. Potrafią one szybko odprowadzać ciepło z podzespołów elektronicznych, zapobiegając ich przegrzaniu, które mogłoby prowadzić do spadku wydajności i uszkodzeń.
Podłoża z azotku glinu stały się idealnym materiałem podłoża dla laserów półprzewodnikowych i modułów rozpraszania ciepła LED ze względu na wyjątkowo wysoką przewodność cieplną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Lotnictwo i kosmonautyka

W sektorze lotniczo-kosmicznym obowiązują niezwykle wysokie wymagania dotyczące niezawodności materiałów. W niektórych silnikach lotniczych i statkach kosmicznych ceramika z węglika krzemu może być wykorzystywana do produkcji dysz i wymienników ciepła ze względu na swoją przewodność cieplną i stabilność w wysokich temperaturach. Materiały te mogą szybko przewodzić i rozpraszać ciepło w ekstremalnych temperaturach, poprawiając stabilność pracy urządzeń.

Wysokotemperaturowe wymienniki ciepła i urządzenia energooszczędne

Ceramiczne wymienniki ciepła odgrywają bardzo ważną rolę w przemyśle chemicznym i metalurgicznym. Zastosowanie materiałów ceramicznych o wysokiej przewodności cieplnej, takich jak węglik krzemu, pozwala obecnie poprawić efektywność wymiany ciepła i zmniejszyć straty energii.

Fotowoltaika i nowe pola energetyczne

W modułach ogniw fotowoltaicznych podłoża ceramiczne mogą być stosowane w różnych warstwach termoregulacyjnych, co pomaga poprawić wydajność konwersji fotoelektrycznej. W dziedzinie nowych źródeł energii, zastosowanie ceramiki termoprzewodzącej może również poprawić termoregulację akumulatora i wydłużyć jego żywotność.

Sprzęt AGD i produkty elektroniczne codziennego użytku

Ceramiczne folie przewodzące ciepło mogą być stosowane w wielu powszechnie używanych urządzeniach codziennego użytku, np. w diodach LED dużej mocy i elementach chłodzących telefonów komórkowych, dzięki czemu można szybko obniżyć temperaturę urządzenia.

Sprzęt medyczny

W sondach ultradźwiękowych i niektórych precyzyjnych urządzeniach medycznych wysoka przewodność cieplna materiałów ceramicznych w połączeniu z izolacją elektryczną gwarantuje stabilność i bezpieczeństwo pracy sprzętu.

Wniosek

Wybór najlepszego ceramicznego materiału termoprzewodzącego wymaga kompleksowego rozważenia wielu czynników. Dziękuję za przeczytanie tego artykułu i mam nadzieję, że okaże się on pomocny.

Dowiedz się więcej o materiałach ceramicznych.