Introdução
Um dos melhores materiais condutores de calor que você pode encontrar globalmente hoje é o nitreto de alumínio. O nitreto de alumínio não só conduz calor excelentemente em diversas aplicações, como também possui a rigidez dielétrica necessária para ser um isolante elétrico excepcional. Não é de se admirar que esteja ganhando tanta popularidade e ampla utilização em tantos setores. No artigo de hoje, você aprenderá sobre as propriedades únicas, síntese e aplicações deste material. material de nitreto de alumínio e aquecedores de nitreto de alumínio. Você também verá como o nitreto de alumínio é fabricado, os desafios que você pode encontrar e as tendências atuais do mercado de nitreto de alumínio.
Para que é usado o nitreto de alumínio?
O nitreto de alumínio é um material cerâmico excepcionalmente resistente ao calor, composto por alumínio e nitrogênio. Sua fórmula química é AlN e sua massa atômica é pequena, covalentemente ligada. Este composto cristalino e incolor é considerado um isolante elétrico e semicondutor de primeira linha. A verdade é que hoje em dia não se pode falar em isolamento elétrico e condutividade térmica sem mencionar os materiais cerâmicos de AlN. Eles são um dos melhores materiais que você pode usar em aplicações que envolvem eletrônicos de alta potência, aquecedores e dissipadores de calor, pois podem espalhar e dissipar calor a uma taxa impressionante, independentemente da temperatura a que são submetidos.
O AlN é um nitreto sólido de alumínio que existe principalmente na forma de cristal de wurtzita hexagonal e na fase de blenda de zinco cúbica metaestável. À temperatura ambiente, este nitreto de alumínio de wurtzita (w-AlN) possui uma banda proibida de 6 eV, o que lhe permite operar eficientemente em frequências ultravioleta profundas para optoeletrônica. A estrutura de ligação atômica simples, porém poderosa, do AlN é uma das principais razões pelas quais ele possui uma alta condutividade térmica de 320 w/mk-1. Impurezas como o oxigênio reduzem a condutividade térmica do AlN, enquanto a dopagem aumenta a condutividade elétrica do material. Curiosamente, você pode usar nitreto de alumínio para reduzir o consumo de energia em semicondutores, protegendo-os e revestindo-os com ele.
Propriedades dos materiais de nitreto de alumínio
O material cerâmico de nitreto de alumínio possui inúmeras propriedades únicas que o tornam excepcional e útil em diversos setores. Aqui estão algumas delas:
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Alta condutividade térmica de 321 W/mk-1
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Excelente isolante elétrico
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Capacidade de desempenho ideal mesmo em altas temperaturas.
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Baixo coeficiente de expansão térmica de 5,6 x 10-6K-1.
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Alta resistência à compressão, dureza e resistência ao choque térmico.
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Alto ponto de fusão de cerca de 2.200°C.
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Alta largura de banda de 6 eV, perdendo apenas para a berílio.
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Exibe polarização espontânea devido à estrutura cristalina hexagonal da wurtzita.
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Alta rigidez dielétrica com constante dielétrica de 8,6.
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Alta ductilidade e limite elástico de 310 GPa.
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Impressionante janela de transparência de 0,2 μm - 13,6 μm.
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Compatibilidade suave com Semicondutor de Óxido Metálico Complementar (CMOS).
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Forte resistência a metais fundidos, cloretos, sais e álcalis.
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Tem uma densidade de 3,32g/cm³.
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Possui um calor específico de 780 J.Kg/K-1.
Síntese de material de nitreto de alumínio
Briegleb e Geuther foram os primeiros cientistas a sintetizar (produzir) nitreto de alumínio em 1862 e, desde então, diversas indústrias passaram a sintetizar esse importantíssimo material semicondutor. Atualmente, é possível sintetizar nitreto de alumínio de três maneiras principais, que são:
Redução carbotérmica de alumina:
Esta é a forma mais comum de produzir nitreto de alumínio altamente puro e resistente à água. Neste método, o hidróxido de alumínio ou alumina é aquecido a uma temperatura de até 1.750 °C sob uma corrente de nitrogênio gasoso e carbono, que atua principalmente como agente redutor.
Nitretação Direta de Alumínio:
O AlN pode ser sintetizado pela reação direta de pó de alumínio e nitrogênio gasoso sob temperatura e vazão de nitrogênio controladas. A faixa de temperatura para aquecimento é de 650 °C.
Deposição Química de Vapor (CVD):
Este método funciona melhor para temperaturas na faixa de 650 °C a 750 °C. Neste método, sob certas condições, como bom vácuo, o composto de cloreto de alumínio (AlCl3) é nitretado com gás amônia ou nitrogênio para produzir AlN.
Aplicações de materiais de nitreto de alumínio
As aplicações do material cerâmico de nitreto de alumínio abrangem muitos setores, alguns deles são:
Indústria Eletrônica
Você pode usar nitreto de alumínio para produzir dissipadores de calor para eletrônicos de alta potência, como LEDs, computadores ou dispositivos móveis que exigem rápida dissipação de calor. Também pode ser usado para muitos outros fins. componentes microeletrônicos que exigem altas densidades. Filtros de RF, isoladores elétricos e sensores de ondas acústicas utilizam material cerâmico AlN.
Semicondutores
Os substratos de nitreto de alumínio apresentam uma capacidade de resfriamento única, raramente encontrada em outros materiais semicondutores. Não é surpresa que cada vez mais indústrias de semicondutores estejam fabricando placas de aquecimento, lasers, anéis de fixação, dispositivos de micro-ondas e portadores de chips a partir de cerâmica AlN.
Militares
Você pode usar materiais cerâmicos AlN para produzir armas e veículos militares, como tanques blindados, abrasivos, projéteis de alta qualidade, entre outros, devido à sua alta capacidade térmica específica e capacidade de suportar choques térmicos.
Refratário
Algumas indústrias agora exploram a propriedade refratária do AlN para fazer revestimentos de fornos, cadinhos e isolantes térmicos, já que o nitreto de alumínio pode lidar confortavelmente com temperaturas severas e ter um desempenho ideal sem perder a forma.
Indústria de Transporte e Automotiva
Sistemas de radar, módulos de energia, dispositivos aeroespaciais, peças de reposição para automóveis e motores podem ser produzidos a partir de materiais cerâmicos AlN.
Processo de fabricação de nitreto de alumínio
Diversos processos podem ser utilizados na fabricação de peças de nitreto de alumínio, dependendo das especificações do produto, do custo de produção e da aplicação pretendida. Alguns desses processos de fabricação de nitreto de alumínio incluem:
Prensagem Isostática a Frio (CIP)
Você pode fabricar peças de nitreto de alumínio por meio desse processo, aplicando pressão igual em todos os lados do pó de AlN antes de finalmente prosseguir com a usinagem de nitreto de alumínio. Este método produz materiais de nitreto de alumínio de alto desempenho.
Moldagem por injeção de cerâmica (CIM)
Neste método, você mistura o pó de AlN com o auxílio de um suporte orgânico (aglutinante) e o despeja em qualquer molde de sua escolha (dependendo do formato desejado). Em seguida, você remove o aglutinante e, sob altas temperaturas e pressão, sinteriza-o no formato desejado. A sinterização é realizada para garantir que o material de AlN tenha uma densidade firme.
Moldagem por injeção de pó de baixa pressão
Se você deseja economizar custos e ainda produzir um material de AlN com formato complexo, este método é o ideal. É muito semelhante ao método CIM, só que realizado em baixas pressões. No entanto, o material de AlN pode rachar se o transportador orgânico não for removido adequadamente.
Fundição de fita
Este método produz peças densas de nitreto de alumínio que se orgulham de alta compatibilidade com eletrodos metálicos. Neste método, primeiro você mistura adequadamente pó de AlN, dispersante, suporte orgânico e um plastificante. Em seguida, molda-o contra uma superfície de suporte, obtendo uma fita verde lisa que você seca e sinteriza por 2 a 3 minutos sob temperaturas que chegam a 245 °C.
Usinagem de precisão
Este método de fabricação de nitreto de alumínio envolve o uso de máquinas CNC de alta precisão para retificar e moldar AlN. No entanto, a fabricação de placas de aquecimento de nitreto de alumínio está se tornando um processo desafiador devido à extrema dureza do material cerâmico de AlN. Vibrações excessivas durante a usinagem podem danificar ou prejudicar significativamente a eficácia de suas ferramentas e máquinas de corte devido à alta resistência à compressão dessas peças de nitreto de alumínio. Como resultado, você pode usar uma ferramenta mais eficaz como o Diamante Policristalino (PCD) para usinar placas de nitreto de alumínio, principalmente devido ao componente de diamante nelas. Além da natureza resistente e dura das placas de nitreto de alumínio, outro desafio que os fabricantes enfrentam ao tentar usinar placas de aquecimento de nitreto de alumínio é a alta condutividade térmica e a fragilidade do material, o que significa que ele pode rachar sob forte estresse mecânico se não for manuseado corretamente.
Características dos aquecedores de nitreto de alumínio
Aquecedores de nitreto de alumínio são elementos de aquecimento produzidos principalmente a partir de nitreto de alumínio. As diversas propriedades térmicas e elétricas exclusivas do AlN os tornam capazes de suportar qualquer tipo de alta temperatura, além de oferecer excelente transferência de calor em qualquer aplicação que você considere adequada. Algumas das propriedades dos aquecedores de AlN são:
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Temperatura máxima de trabalho de 1.000°C.
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Eles possuem uma velocidade de aquecimento de cerca de 115°C por segundo.
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Eles têm uma densidade de 3,26g/cm³.
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Eles têm uma condutividade térmica de 220w/mk-1
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Densidade máxima de cera de 155w/cm²
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Possuem uma espessura que chega a cerca de 3mm
Aplicações de aquecedores de nitreto de alumínio
Você pode usar nitreto de alumínio para uma variedade de aplicações, como:
Optoeletrônica
Devido à sua capacidade de gerenciar altas temperaturas e controlar a energia térmica, você pode usar aquecedores de alumínio em optoeletrônica para produzir diodos laser, luzes LED e outros microeletrônicos.
Indústria de semicondutores
Você pode usar aquecedores de nitreto de alumínio para tarefas complexas, como epitaxia e deposição física de vapor (PVD), que exigem processamento de wafers. Você também pode testar equipamentos de medição em dispositivos semicondutores.
Medicamento
Você também pode usar aquecedores de nitreto de alumínio na medicina para amplificação de DNA. Esses aquecedores de AlN são usados em laboratórios médicos para produzir equipamentos para diversos testes de alto nível, como DNA e Reação em Cadeia da Polimerase (PCR), devido ao seu controle preciso de temperatura.
Produção de Placas Quentes
Esses aquecedores de alumínio podem ser usados para produzir as placas de aquecimento que você usa para aquecer sua comida em casa. Também podem ser usados para fabricar placas de aquecimento industriais.
Química
Você pode usar aquecedores de AlN para produzir equipamentos que requerem temperaturas muito altas para funcionar de forma ideal. Alguns desses equipamentos podem ser usados em química para cromatografia, espectrometria de massas, etc.
Tendências atuais do mercado de nitreto de alumínio
Em 2023, o tamanho do mercado global de nitreto de alumínio era de pouco mais de $151 milhões. Se você acompanhasse as tendências do mercado em 2024, veria um aumento notável de cerca de 11,5%, com a recuperação do mercado para $168 milhões. Analistas de mercado afirmam que, com uma Taxa de Crescimento Anual Composta (CAGR) de 5,6%, espera-se um valor de mercado superior a $245 milhões até 2030, devido ao aumento da demanda global e à acirrada concorrência de mercado. A empresa norte-americana Surmet tem se tornado, desde então, um player-chave na fabricação e fornecimento de AlN em larga escala. Aqui, em ggsceramics, você também pode comprar aquecedores de nitreto de alumínio de alta qualidade e preços acessíveis, materiais cerâmicos de nitreto de alumínio e produtos de sua escolha.
Perguntas frequentes
O nitreto de alumínio (AlN) é um material explosivo?
Não, normalmente, o AlN é um composto quimicamente inerte; no entanto, na presença de vapores clorados e ácidos, ele pode explodir.
O nitreto de alumínio é tóxico?
Sim, o AlN pode causar danos graves se ingerido, ingerido ou inalado. Pode causar irritação na pele e nos olhos ou danificar a medula óssea e os pulmões.
Qual é o melhor material semicondutor entre nitreto de alumínio e carboneto de silício?
Materiais semicondutores para eletrônicos de alta potência são mais eficazes quando há condutividade térmica e dissipação de calor eficientes. Obviamente, o nitreto de alumínio supera outros semicondutores nesse aspecto, devido à sua banda ultralarga, o que significa que está à frente do carboneto de silício (SiC).
Conclusão
O material cerâmico de nitreto de alumínio está constantemente inovando na indústria de semicondutores. De placas de nitreto de alumínio a aquecedores e dissipadores de calor de nitreto de alumínio, as aplicações do AlN abrangem diversos setores até o momento; é um bom setor para investir e, certamente, o futuro dos semicondutores está firmemente assegurado com o nitreto de alumínio no comando.