Wstęp
Jednym z najlepszych materiałów przewodzących ciepło, jakie można znaleźć na świecie, jest azotek glinu. Azotek glinu nie tylko doskonale przewodzi ciepło w różnych zastosowaniach, ale ma również wymaganą wytrzymałość dielektryczną, aby być wyjątkowym izolatorem elektrycznym. Nic dziwnego, że zyskuje tak dużą popularność i jest szeroko stosowany w wielu gałęziach przemysłu. W dzisiejszym artykule dowiesz się o unikalnych właściwościach, syntezie i zastosowaniach tego materiał azotek glinu i grzejniki z azotku glinu. Zobaczysz również, jak wytwarzany jest azotek glinu, jakie wyzwania możesz napotkać i jakie są obecne trendy rynkowe w zakresie materiałów z azotku glinu.
Do czego stosuje się azotek glinu?
Azotek glinu to wyjątkowo odporny na ciepło materiał ceramiczny składający się z aluminium i azotu. Ma wzór chemiczny AlN i małą masę atomową, która jest kowalencyjnie związana. Ten krystaliczny, bezbarwny związek jest uważany za najwyższej klasy izolator elektryczny i materiał półprzewodnikowy. Prawdą jest, że nie można dziś mówić o izolacji elektrycznej i przewodności cieplnej bez wspomnienia materiałów ceramicznych AlN. Są one jednym z najlepszych materiałów, których można użyć w zastosowaniach obejmujących elektronikę dużej mocy, grzejniki i radiatory, ponieważ mogą rozprzestrzeniać i rozpraszać ciepło z imponującą szybkością, niezależnie od temperatury, której są poddawane.
AlN to stały azotek aluminium, który występuje głównie w heksagonalnej formie krystalicznej wurcytu i metastabilnej fazie sześciennej blendy cynkowej. W temperaturze pokojowej ten azotek aluminium wurcytu (w-AlN) ma przerwę pasmową równą 6 eV, co umożliwia mu wydajną pracę w głębokich częstotliwościach ultrafioletowych dla optoelektroniki. Prosta, ale silna struktura wiązania atomowego AlN jest jednym z głównych powodów, dla których ma on dużą przewodność cieplną wynoszącą 320 W/mk-1. Zanieczyszczenia, takie jak tlen, zmniejszają przewodność cieplną AlN, podczas gdy domieszkowanie zwiększa przewodność elektryczną materiału. Co ciekawe, azotku aluminium można użyć do zmniejszenia zużycia energii w półprzewodnikach poprzez ich ochronę i powlekanie nim.
Właściwości materiałów azotku glinu
Materiał ceramiczny azotku glinu ma wiele unikalnych właściwości, które czynią go wyjątkowym i użytecznym w tak wielu sektorach. Oto niektóre z nich:
-
Wysoka przewodność cieplna 321 W/mk-1
-
Doskonały izolator elektryczny
-
Możliwość optymalnej pracy nawet w wysokich temperaturach.
-
Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej wynoszący 5,6 x 10-6K-1.
-
Wysoka wytrzymałość na ściskanie, twardość i odporność na szok termiczny.
-
Wysoka temperatura topnienia: ok. 2200°C.
-
Duża, szeroka przerwa energetyczna wynosząca 6 eV, ustępuje jedynie berylowi.
-
Wykazuje spontaniczną polaryzację ze względu na heksagonalną strukturę krystaliczną wurcytu.
-
Wysoka wytrzymałość dielektryczna, stała dielektryczna 8,6.
-
Wysoka ciągliwość i granica sprężystości 310 GPa.
-
Imponujące okno przejrzystości 0,2μm - 13,6μm.
-
Płynna kompatybilność z technologią CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
-
Wysoka odporność na działanie stopionych metali, chlorków, soli i zasad.
-
Ma gęstość 3,32 g/cm³.
-
Posiada ciepło właściwe wynoszące 780 J.Kg/K-1.
Synteza materiału azotku glinu
Briegleb i Geuther byli pierwszymi naukowcami, którzy zsyntetyzowali (wyprodukowali) azotek glinu w 1862 r., a od tego czasu wiele gałęzi przemysłu syntetyzuje ten niezwykle ważny materiał półprzewodnikowy. Teraz możesz syntetyzować materiał azotku glinu na trzy główne sposoby, którymi są:
Redukcja karbotermiczna tlenku glinu:
To jest najczęstszy sposób produkcji wysoce czystego i odpornego na wodę azotku glinu. W tej metodzie wodorotlenek glinu lub tlenek glinu jest podgrzewany do temperatury sięgającej 1750°C pod strumieniem gazu azotowego i węgla, który działa głównie jako środek redukujący.
Bezpośrednie azotowanie aluminium:
AlN można syntetyzować poprzez bezpośrednią reakcję proszku aluminiowego i azotu w kontrolowanej temperaturze i szybkości przepływu azotu. Zakres temperatur ogrzewania wynosi 650°C.
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD):
Ta metoda działa najlepiej w zakresie temperatur 650°C - 750°C. W tej metodzie, w pewnych warunkach, takich jak dobra próżnia, związek chlorku glinu (AlCl3) jest azotowany gazem amoniakowym lub azotem w celu wytworzenia AlN.
Zastosowania materiałów azotku glinu
Materiały ceramiczne z azotku glinu znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Oto niektóre z nich:
Przemysł elektroniczny
Azotek glinu można wykorzystać do produkcji radiatorów do elektroniki dużej mocy, takiej jak LED, komputer lub urządzenia mobilne, które wymagają szybkiego rozpraszania ciepła. Można go również stosować do wielu innych elementy mikroelektroniczne które wymagają dużej gęstości. Filtry RF, izolatory elektryczne i czujniki fal akustycznych wykorzystują materiał ceramiczny AlN.
Półprzewodniki
Podłoża azotku glinu mają wyjątkową zdolność chłodzenia, którą rzadko można znaleźć w innych materiałach półprzewodnikowych. Nic dziwnego, że coraz więcej branż półprzewodnikowych produkuje płyty grzewcze, lasery, pierścienie zaciskowe, urządzenia mikrofalowe i nośniki chipów z materiału ceramicznego AlN.
Wojskowy
Materiały ceramiczne AlN można wykorzystywać do produkcji broni i pojazdów wojskowych, takich jak czołgi pancerne, materiały ścierne, wysokiej jakości pociski i inne, ze względu na ich wysoką pojemność cieplną i odporność na szok termiczny.
Oporny
Niektóre gałęzie przemysłu wykorzystują obecnie ogniotrwałe właściwości AlN do produkcji wyłożeń pieców, tygli i izolatorów cieplnych, ponieważ azotek glinu doskonale znosi wysokie temperatury i działa optymalnie bez utraty kształtu.
Transport i przemysł motoryzacyjny
Systemy radarowe, moduły zasilania, urządzenia lotnicze, części zamienne do samochodów i silniki – wszystkie te elementy można produkować z materiałów ceramicznych AlN.
Proces produkcji azotku glinu
Do produkcji części z azotku glinu można stosować kilka procesów, w zależności od specyfikacji produktu, kosztów produkcji i zamierzonego zastosowania. Niektóre z tych procesów produkcji azotku glinu obejmują:
Prasowanie izostatyczne na zimno (CIP)
Możesz produkować części z azotku aluminium za pomocą tego procesu, stosując równe ciśnienie na wszystkich stronach proszku AlN, zanim przejdziesz do obróbki azotku aluminium. Ta metoda wytwarza materiały z azotku aluminium o wysokiej wydajności.
Formowanie wtryskowe ceramiki (CIM)
W tej metodzie należy wymieszać proszek AlN z pomocą organicznego nośnika (spoiwa) i wlać go do dowolnej wybranej formy (w zależności od pożądanego kształtu). Następnie należy usunąć spoiwo i pod wpływem wysokiej temperatury i ciśnienia spiekać go do pożądanego kształtu. Spiekanie jest wykonywane w celu zapewnienia, że materiał AlN ma stałą gęstość.
Formowanie wtryskowe proszku pod niskim ciśnieniem
Jeśli chcesz zaoszczędzić na kosztach i nadal produkować materiał AlN o złożonym kształcie, to ta metoda jest dla Ciebie najlepsza. Jest bardzo podobna do metody CIM, tylko że jest wykonywana przy niskim ciśnieniu. Jednak Twój materiał AlN może pęknąć, jeśli nie usuniesz prawidłowo nośnika organicznego.
Odlewanie taśmy
Ta metoda daje Ci gęste części z azotku glinu, które mogą pochwalić się wysoką kompatybilnością z elektrodami metalowymi. W tej metodzie, przede wszystkim, odpowiednio mieszasz proszek AlN, dyspergator, nośnik organiczny i plastyfikator. Następnie, odlewasz go na powierzchnię nośną, otrzymujesz gładką zieloną taśmę, którą suszysz i spiekasz przez 2-3 minuty w temperaturach sięgających 470°F.
Obróbka precyzyjna
Ta metoda produkcji azotku glinu polega na użyciu precyzyjnych maszyn CNC do szlifowania i kształtowania AlN. Jednak produkcja płyt grzewczych z azotku glinu staje się trudnym procesem ze względu na ekstremalną twardość materiału ceramicznego AlN. Nadmierne wibracje podczas obróbki mogą uszkodzić lub znacznie utrudnić skuteczność narzędzi skrawających i maszyn ze względu na wysoką wytrzymałość na ściskanie tych części z azotku glinu. W rezultacie możesz użyć bardziej efektywnego narzędzia, takiego jak diament polikrystaliczny (PCD), do obróbki płyt azotku glinu, głównie ze względu na składnik diamentowy w nich zawarty. Oprócz wytrzymałej, twardej natury płyt azotku glinu, innym wyzwaniem, z jakim mierzą się producenci, próbując obrabiać płyty grzewcze z azotku glinu, jest wysoka przewodność cieplna i kruchość materiału, co oznacza, że może on pęknąć pod wpływem dużego naprężenia mechanicznego, jeśli nie jest odpowiednio obsługiwany.
Charakterystyka grzejników z azotku glinu
Grzałki z azotku glinu to elementy grzewcze produkowane głównie z materiału azotku glinu. Liczne unikalne właściwości termiczne i elektryczne AlN sprawiają, że są one zdolne do radzenia sobie z każdym rodzajem wysokich temperatur, a także doskonałym transferem ciepła w dowolnym zastosowaniu, które uznasz za stosowne. Niektóre z właściwości grzałek AlN to:
-
Maksymalna temperatura pracy 1000°C.
-
Osiągają prędkość nagrzewania ok. 115°C na sekundę.
-
Mają gęstość 3,26 g/cm³.
-
Posiadają współczynnik przewodzenia ciepła 220 W/mk-1
-
Maksymalna gęstość wosku 155 W/cm²
-
Posiadają grubość sięgającą około 3mm
Zastosowania grzejników z azotku glinu
Azotek glinu można stosować w wielu zastosowaniach, takich jak:
Optoelektronika
Ze względu na zdolność do radzenia sobie z wysokimi temperaturami i kontrolowania energii cieplnej, grzejniki aluminiowe można stosować w optoelektronice do produkcji diod laserowych, świateł LED i innych elementów mikroelektronicznych.
Przemysł półprzewodnikowy
Grzałki z azotku glinu można stosować do złożonych zadań, takich jak epitaksja i fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD), które wymagają obróbki płytek. Można również testować urządzenia pomiarowe w urządzeniach półprzewodnikowych.
Medycyna
Można również używać grzejników z azotku glinu w medycynie do amplifikacji DNA. Te grzejniki AlN są używane w medycynie laboratoryjnej do produkcji sprzętu do kilku ważnych testów, takich jak DNA i reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR), ze względu na precyzyjną kontrolę temperatury.
Produkcja płyt grzewczych
Te aluminiowe grzejniki mogą być używane do produkcji gorących płyt, których używasz do podgrzewania jedzenia w domu. Mogą być również używane do produkcji przemysłowych płyt grzewczych.
Chemia
Możesz użyć grzejników AlN do produkcji sprzętu, który wymaga bardzo wysokich temperatur do optymalnego działania. Część tego sprzętu może być używana w chemii do chromatografii, spektrometrii masowej itp.
Aktualne trendy rynkowe azotku glinu
W 2023 r. globalny rozmiar rynku azotku glinu wynosił nieco ponad $151 mln. Jeśli śledzisz trendy rynkowe w 2024 r., zobaczysz zauważalny wzrost o około 11,5%, ponieważ rynek wzrósł do $168 mln. Analitycy rynkowi twierdzą, że przy skumulowanej rocznej stopie wzrostu (CAGR) wynoszącej 5,6% należy spodziewać się wartości rynkowej przekraczającej $245 mln do 2030 r. ze względu na zwiększony globalny popyt i zaciętą konkurencję rynkową. Północnoamerykańska firma Surmet stała się od tego czasu kluczowym graczem w zakresie produkcji i dostaw AlN na dużą skalę. Tutaj, w ceramika, Możesz również zakupić wysokiej jakości i niedrogie grzejniki z azotku glinu, materiały ceramiczne z azotku glinu i produkty według własnego wyboru.
Często zadawane pytania
Czy azotek glinu (AlN) jest materiałem wybuchowym?
Nie, zazwyczaj AlN jest związkiem chemicznie obojętnym, jednak w obecności oparów chloru i kwasów może wybuchnąć.
Czy azotek glinu jest toksyczny?
Tak, AlN może spowodować poważne szkody, jeśli połkniesz, spożyjesz lub wdychasz. Może powodować podrażnienie skóry i oczu lub uszkodzić szpik kostny i płuca.
Który materiał półprzewodnikowy jest lepszy: azotek glinu czy węglik krzemu?
Materiały półprzewodnikowe do elektroniki dużej mocy są bardziej efektywne, gdy występuje wydajna przewodność cieplna i rozpraszanie ciepła. Oczywiście, materiał azotku glinu bije inne półprzewodniki pod tym względem, ze względu na jego ultraszeroką przerwę pasmową, co oznacza, że wyprzedza węglik krzemu (SiC).
Wniosek
Materiał ceramiczny z azotku glinu stale toruje nowe szlaki w przemyśle półprzewodników. Począwszy od płyt z azotku glinu po grzejniki i radiatory z azotku glinu, zastosowania AlN do tej pory obejmowały kilka branż; To dobry sektor do inwestowania, a przyszłość półprzewodników jest z pewnością jasno zabezpieczona, gdy azotek glinu jest mocno na czele.