Przewodność cieplna azotku glinu: Rzeczy, które warto wiedzieć

Azotek glinu zyskał na znaczeniu w nauce dzięki rozwojowi ceramiki. AlN charakteryzuje się doskonałą przewodnością cieplną i izolacją elektryczną. Zaletą AlN jest również brak zagrożenia dla zdrowia pracowników podczas obróbki. Dlatego też uważa się, że AlN jest lepszy od innych konkurencyjnych materiałów ceramicznych.

Właściwości AlN: krótki przewodnik po referencjach

Oto krótki przewodnik, który pomoże Ci poznać wszystkie właściwości azotku glinu. Tabela pomoże Ci ocenić kontekst zastosowania AlN.

Jak syntetyzuje się azotek glinu?

Azotek glinu można uzyskać poprzez bezpośrednie azotowanie tlenku glinu. Inną metodą jest redukcja termiczna tlenku glinu. Wiązania kowalencyjne w tlenku glinu (AlN) są bardzo silne, co utrudnia spiekanie. Do produkcji tlenku glinu (AlN) poprzez spiekanie, materiał wymaga specjalnych dodatków w postaci ciekłej.

Istnieje kilka metod produkcji zaawansowanej ceramiki. Globalna produkcja ceramiki azotkowej odbywa się zasadniczo poprzez prasowanie izostatyczne lub prasowanie na sucho. Inne metody obejmują formowanie wtryskowe z wykorzystaniem ceramiki lub formowanie wtryskowe niskociśnieniowe. Metoda spiekania AlN obejmuje spiekanie plazmowe z iskrą iskrową, spiekanie bezciśnieniowe i spiekanie mikrofalowe.

Proces formowania ceramiki azotkowej jest dwojakiego rodzaju: suchy i mokry. Formowanie na sucho może być zarówno zwykłe, jak i izostatyczne na zimno. Formowanie na mokro jest wykorzystywane do produkcji skomplikowanych kształtów. Metody te obejmują formowanie ślizgowe, odlewanie żelowe taśmowe oraz formowanie wtryskowe.

Szczegółowe informacje na temat właściwości fizycznych azotku glinu

Azotek glinu, jak sama nazwa wskazuje, to azotek w postaci stałej, składający się z tlenku glinu. Charakteryzuje się szeroką przerwą energetyczną. Niska masa atomowa i silniejsze wiązania międzyatomowe sprawiają, że ceramika jest wytrzymała. Zazwyczaj ma strukturę krystaliczną wurcytu i posiada metastabilną fazę sześcienną.

Przewodność cieplna aluminium waha się w granicach 150–320 W/mK. Przewodność elektryczna azotku glinu wynosi około 10–11 do 10–13. Po domieszkowaniu przewodność spada do 10–5 lub 10–6. Ogólnie rzecz biorąc, aluminium w fazie wurcytowej znajduje zastosowanie w elektronice optycznej.

AlN jest stabilny w wysokiej temperaturze około 2200°C. Morfologia składa się z warstw tlenków na powierzchni, które chronią materiał w temperaturze roboczej 1370°C. Jeśli chodzi o odporność na korozję, jest on podatny na działanie alkaliów i kwasów mineralnych. Ceramika azotkowa jest jednak odporna na działanie stopionych soli.

Właściwości AlN: Rzut oka

Oto krótkie podsumowanie głównych właściwości AlN

• Wysoka temperatura pracy

• Doskonała przewodność cieplna, 5 razy większa niż w przypadku tlenku glinu

• Wartość CTE Aln jest niska

• Wartość stałej dielektrycznej jest mniejsza

• Dobre właściwości rezystywności elektrycznej i izolacyjności

• Dobra odporność na ściskanie

• Dobra odporność na korozję, z wyjątkiem kwasów i zasad

• Czystość AlN jest wyższa

Azotek glinu CTE

Współczynnik rozszerzalności cieplnej daje nam wyraźny obraz zachowania się materiału pod wpływem temperatury. Zaawansowana ceramika znana jest z mniejszej rozszerzalności cieplnej. Wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) pozwala nam określić, jak materiał rozszerza się pod wpływem temperatury. Jednakże, pod wpływem ciepła, struktura atomowa pozostaje stabilna podczas rozszerzania się materiału.

W porównaniu z metalami, zaawansowana ceramika, taka jak AlN, ma o połowę niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej niż metal. Niższa wartość współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) pozwala jej zachować wytrzymałość mechaniczną pod wpływem ściskania. Pod względem rozszerzalności cieplnej, cyrkonia i tlenek glinu zajmują najwyższą pozycję, natomiast azotek krzemu i węglik krzemu plasują się najniżej.

 Współczynnik rozszerzalności cieplnej azotku glinu mieści się w zakresie od 5,3 do 4,2 (x 10-6) K-1 wzdłuż osi x i z w zakresie temperatur roboczych 300 K. Współczynnik rozszerzalności cieplnej azotku glinu jest uważany za równoważny współczynnikowi rozszerzalności cieplnej krzemu.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej i wydajność podłoża ceramicznego

Chociaż AlN wyróżnia się dobrym przenoszeniem temperatury i rezystancją elektryczną, co jest korzystne w mikroelektronice, zobaczmy, jaki wpływ ma współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE) na działanie podłoży ceramicznych na bazie AlN.

Wpływ rozszerzalności cieplnej podłoża DBC

Podłoże DBC zawiera Aln lub azotek krzemu połączony z miedzią. Różnice w rozszerzalności cieplnej między Aln, Cu i SiN (4,5 ppm, 17 ppm i 3 ppm) powodują wysokie naprężenia mechaniczne. Naprężenia te powodują pęknięcia w strukturze ceramicznej. Pęknięcia powstają w wyniku cykli uderzeniowych zachodzących podczas nagrzewania i chłodzenia ceramiki.

Zarządzanie współczynnikiem rozszerzalności cieplnej (CTE) ma zatem kluczowe znaczenie dla długoterminowej eksploatacji podłoża ceramicznego. Porównanie różnych współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE) różnych materiałów ceramicznych przedstawiono powyżej.

Przewodność cieplna azotku glinu

Przewodność cieplna określa, jak dobrze materiał przepuszcza energię cieplną. Przewodność cieplna AlN jest wysoka. Ponadto materiały te charakteryzują się wysoką rezystancją elektryczną, co czyni je doskonałymi materiałami do odprowadzania ciepła. Przewodność cieplna ceramiki zależy od różnych właściwości.

Obecność zanieczyszczeń może w większym stopniu wpływać na wymianę ciepła. Wraz ze wzrostem domieszki tlenu, przewodność cieplna AlN wzrasta. Ponadto liczba wakatów w sieci krystalicznej, czyli domieszek krzemu i węgla, zmniejsza przewodność cieplną.

Właściwości cieplne AlN można kontrolować już w trakcie procesu produkcji. Zmiany mikrostruktury i zróżnicowane warunki przetwarzania wpływają na zmianę przepływu ciepła. Zastosowanie proszków o wysokiej czystości i odpowiednia metodologia spiekania znacząco zwiększają przewodność cieplną.

Przewodność cieplna AlN. Dlaczego jest preferowany w stosunku do BeO?

Zarówno BeO, jak i AlN, oba materiały ceramiczne charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną. Dzięki temu mogą być stosowane w aplikacjach wysokotemperaturowych. Sprawdźmy, w jaki sposób AlN przewyższa BeO.

Tlenek berylu (BeO)

Przewodność cieplna berylu wynosi około 330 W/Mk. Stosuje się je głównie w sytuacjach, w których kluczowe jest zarządzanie ciepłem. Tlenek berylu, ze względu na swoją konkurencyjną przewodność, jest stosowany jako podłoże i izolator. Inne zastosowania obejmują produkcję rur w kuchence mikrofalowej, gdzie ważna jest stabilność termiczna.

Problemem z Beo jest jego toksyczność. Tlenek berylu jest niebezpieczny i wymaga ostrożnego obchodzenia się z nim. Recykling i ponowne wykorzystanie ceramiki jest dość problematyczne, jeśli chodzi o obchodzenie się z BeO.

Azotek glinu (AlN)

Przewodność azotku glinu jest stosunkowo niższa niż BeO w zakresie 170–210 W/mK. Tam, gdzie preferowana jest nietoksyczność, stosuje się ceramikę azotkową. Ceramika ALN jest stosowana w diodach LED i elektronice półprzewodnikowej do odprowadzania ciepła. AlN jest preferowany w zastosowaniach elektroniki mocy w porównaniu z BeO ze względu na swoje zalety.

Aln charakteryzuje się wysoką rezystancją elektryczną i stabilnością cieplną, co czyni go lepszym materiałem izolacyjnym. Azotek glinu jest preferowany w zastosowaniach wysokotemperaturowych i stosowany w urządzeniach elektronicznych powszechnego użytku, aby zapobiegać niebezpiecznym sytuacjom podczas obsługi.

Przewodności różnych materiałów ceramicznych: przegląd

Porównanie przewodności różnych materiałów ceramicznych przedstawiono na powyższym wykresie. Zgodnie z ogólną zasadą, materiał o niższej przewodności jest preferowany jako izolator elektryczny. Z podanej tabeli wynika, że tlenek cyrkonu ma niższą przewodność, co czyni go odpowiednim izolatorem. Przewodność cieplna AlN jest bardzo wysoka, podobnie jak odprowadzanie ciepła.

Jednym z popularnych zastosowań przewodności AlN są diody LED dużej mocy i diody LED. Urządzenia te zazwyczaj generują ciepło. Właściwości rozpraszania ciepła AlN pomagają zapobiegać przegrzewaniu. Zwiększa to niezawodność i zapewnia dłuższą żywotność.

Dwiema popularnymi technikami pomiaru przewodności cieplnej AlN są metoda gorącego drutu i metoda przejściowej gorącej taśmy.

Przemysłowe zastosowanie AlN

Poniżej przedstawiono popularne przemysłowe zastosowanie ceramiki azotku glinu:

• Oporny:AlN jest dobrym materiałem ogniotrwałym. Jest stosowany jako wyściółka tygli lub jako wzmocnienie konstrukcyjne form odlewniczych i powiązanych akcesoriów.

• Podłoże elektronicznePodłoża AlN są wykorzystywane w wojskowych modułach wieloprocesorowych. Pełnią funkcję płytek rozpraszających ciepło w elektronice mocy, diodach laserowych i radiatorach LED. Zdolność rozpraszania ciepła wynika z ich lepszej przewodności.

• Samochody:Azotek glinu jest stosowany w termicznych i gazowych hybrydowych silnikach samochodowych. Jest stabilny w wysokich temperaturach.

• Materiał opakowaniowy:Azotki glinu są dobrymi materiałami opakowaniowymi, ponieważ są odporne na ciepło i trwałe.

Wniosek

Wprowadzenie azotku glinu zapewniło najlepszą funkcjonalność w zastosowaniach inżynierii wysokotemperaturowej. Lepsza przewodność cieplna w porównaniu z odpowiednikami pozwoliła na stworzenie efektywnych elementów odprowadzających ciepło w elektronice mocy. Krótko mówiąc, azotek glinu wydłuża żywotność i poprawia wydajność materiałów, co jest zaletą.