Com o rápido desenvolvimento da indústria moderna, o gerenciamento térmico tornou-se um fator-chave que afeta o desempenho e a confiabilidade dos produtos. De dispositivos de computação de alto desempenho a componentes aeroespaciais, a seleção de materiais com condutividade térmica eficiente tornou-se uma consideração necessária para essas aplicações de ponta.
Os materiais cerâmicos apresentam excelente desempenho no campo da condutividade térmica devido à sua combinação única de propriedades. Sua condutividade térmica é superior à dos materiais plásticos tradicionais e também proporcionam excelente desempenho de isolamento elétrico, sendo muito adequados para a área eletrônica. Por exemplo, a condutividade térmica dos materiais cerâmicos comuns de nitreto de alumínio (AlN) chega a 180 W/mK, superando em muito os plásticos de engenharia comuns (0,2-0,4 W/mK). Essa combinação superior de condutividade térmica e desempenho de isolamento elétrico confere aos materiais cerâmicos uma posição insubstituível e importante em aplicações como encapsulamento eletrônico e substratos para dissipação de calor.
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Links rápidos
- O que é condutividade térmica?
- Tabela de Condutividade Térmica de Materiais Cerâmicos Comuns
- Os dez materiais cerâmicos com maior condutividade térmica
- Como escolher o material cerâmico com a melhor condutividade térmica?
- Aplicação de materiais cerâmicos condutores térmicos
O que é condutividade térmica?
Condutividade térmica É um indicador importante para medir a condutividade térmica dos materiais. Sua unidade é Watt por metro Kelvin (W/mK). Este indicador de desempenho reflete a força da condutividade térmica do material. É importante observar que a condutividade térmica dos materiais cerâmicos não é constante. Ela é afetada por vários fatores, como o processo de fabricação, a pureza do material, o tamanho do grão e a temperatura de operação, que afetarão a condutividade térmica final dos materiais cerâmicos.
Tabela de Condutividade Térmica de Materiais Cerâmicos Comuns
Em aplicações reais, a condutividade térmica dos materiais pode variar ligeiramente devido à pureza, estrutura cristalina, tecnologia de processamento e fatores ambientais externos.
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Materiais cerâmicos |
Condutividade térmica (W/m·K) |
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Nitreto de alumínio (AIN) |
170 |
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Óxido de berílio (BeO) |
260 |
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Carboneto de silício (SiC) |
120-200 |
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Nitreto de silício (Si3N4) |
20-30 |
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Alumina (Al2O3) |
25-35 |
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Magnésia (MgO) |
60 |
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Zircônia (ZrO2) |
2-3 |
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Nitreto de boro (BN) |
60 |
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Carboneto de boro (B4C) |
30-50 |
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Óxido de ítrio (Y2O3) |
12 |
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Óxido de titânio (TiO2) |
11 |
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Óxido de silício (SiO2) |
1.4 |
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Carboneto de tungstênio (WC) |
85-100 |
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Óxido de Nióbio (Nb2O5) |
6-8 |
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Óxido de índio (ln2O3) |
15 |
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Aluminato de cálcio (CaAl2O4) |
6-10 |
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Óxido de lantânio (La2O3) |
12-15 |
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Óxido de ródio (Rh2O3) |
40-50 |
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Cerâmica composta de carboneto de silício-grafite (SiC-C) |
120-200 |
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Cerâmica composta de nitreto de silício-alumina (Si3N4 Al203) |
20-40 |
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Cerâmica composta de alumina-carboneto de silício (AI2O3- SiC) |
50-70 |
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Cerâmica composta de nitreto de alumínio-alumina (AIN- Al2O3) |
100-150 |
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Cerâmica composta de óxido de ítrio e zircônia (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
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Cerâmica composta de alumina-zircônia (AI203-ZrO2) |
10-20 |
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Cerâmica composta de nitreto de silício-carboneto de silício (Si3N4-SiC) |
80-120 |
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Cerâmica composta de carboneto de silício-nitreto de boro (SiC-BN) |
100-150 |
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Cerâmica composta de alumina-grafite (AI203-C) |
30-50 |
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Cerâmica composta de alumina-magnésia (AI2O3-MgO) |
50-70 |
Os dez materiais cerâmicos com maior condutividade térmica
Óxido de Berílio (BeO)
O óxido de berílio é um dos materiais cerâmicos com melhor condutividade térmica atualmente. Sua condutividade térmica varia de 184 a 300 W/mK, valor muito próximo da condutividade térmica de alguns materiais metálicos. Sua condutividade térmica superior se deve à sua estrutura cristalina única e às fortes características de ligação covalente.
O óxido de berílio não só possui excelente condutividade térmica, como também propriedades de isolamento elétrico e baixa constante dielétrica. Sua resistência à compressão pode chegar a 245 MPa e apresenta boa resistência ao choque térmico. É um componente essencial para o gerenciamento térmico de sistemas de comunicação por satélite na área aeroespacial; também é um excelente substrato para dissipação de calor em dispositivos de RF de alta potência.
No entanto, o óxido de berílio também enfrenta sérios desafios. As matérias-primas do óxido de berílio são tóxicas e precisam ser produzidas sob rigorosas condições de segurança. Além disso, seu processo de produção é muito complexo. Alguns fatores levaram ao seu alto custo de produção.
Nitreto de alumínio (AlN)
Nitreto de alumínio É um material cerâmico termicamente condutor com excelente desempenho. Sua faixa de condutividade térmica está entre 140-180 W/mK. Nos últimos anos, o nitreto de alumínio, um material cerâmico, tem atraído muita atenção devido ao seu desempenho superior.
O nitreto de alumínio possui uma combinação perfeita de excelente condutividade térmica e desempenho de isolamento elétrico, além de possuir um coeficiente de expansão térmica semelhante ao dos semicondutores à base de silício (4,5 × 10^-6/K), o que demonstra uma vantagem única no campo de encapsulamento eletrônico. Sua alta condutividade térmica pode ser utilizada para dissipação de calor de chips de LED, substratos de dissipação de calor para módulos de potência, dispositivos de radiofrequência e circuitos integrados de larga escala, podendo aumentar significativamente a vida útil desses dispositivos.
Carboneto de silício (SiC)
A condutividade térmica de carboneto de silício varia de 120 a 180 W/mK. É um material cerâmico de alto desempenho com aplicações extremamente amplas e insubstituível em muitos campos de alta tecnologia.
Além de sua excelente condutividade térmica, o carboneto de silício também tem excelente resistência mecânica, com resistência à flexão de >400MPa, além de dureza extremamente alta e boa resistência ao desgaste.
Em algumas aplicações industriais, o carboneto de silício é amplamente utilizado em áreas como trocadores de calor de alta temperatura, selos mecânicos, rolamentos e ferramentas de corte devido à sua combinação única de propriedades. Em aplicações eletrônicas, também é um material de embalagem muito importante. Em outras áreas emergentes, como veículos de nova energia, seu desempenho também é muito bom.
Óxido de cobre e alumínio (CuAlO2)
O óxido de cobre e alumínio é um novo tipo de material cerâmico de óxido composto. Sua condutividade térmica está na faixa de 100-200 W/mK. Possui boa condutividade térmica e elétrica e pode fornecer novas soluções para alguns cenários específicos.
Na indústria eletrônica, atraiu a atenção devido à sua dupla condutividade elétrica e térmica. Pode ser visto na fabricação de alguns dispositivos termoelétricos e componentes eletrônicos de alto desempenho.
Nitreto de boro (BN)
O nitreto de boro é conhecido por sua estrutura em camadas única e condutividade térmica variável, variando de 20 a 300 W/mK, dependendo de sua estrutura. Entre eles, o nitreto de boro hexagonal (h-BN) apresenta condutividade térmica extremamente alta na direção plana, de até 200 a 250 W/mK, enquanto o nitreto de boro cúbico (c-BN) geralmente apresenta condutividade térmica de 30 a 70 W/mK.
O nitreto de boro apresenta excelente estabilidade em altas temperaturas, inércia química e autolubrificação, e seu excelente desempenho de isolamento elétrico e baixa constante dielétrica o tornam muito adequado para aplicações na área eletrônica. O que merece sua atenção especial é que o nitreto de boro ainda consegue manter a condutividade térmica estável em ambientes de alta temperatura, o que é difícil para muitos outros materiais.
O nitreto de boro possui uma ampla gama de aplicações em condutividade térmica. Na indústria aeroespacial, o nitreto de boro pode ser amplamente utilizado em componentes de isolamento de alta temperatura e sistemas de gerenciamento térmico. Na indústria eletrônica, também é um excelente substrato para dissipação de calor e material de interface com condutividade térmica.
Diboreto de titânio (TiB2)
A condutividade térmica do diboreto de titânio está na faixa de 60-70 W/mK. Embora não seja a mais alta entre muitos materiais cerâmicos, sua combinação única de propriedades confere-lhe importante valor de aplicação em campos específicos.
Em aplicações industriais, o diboreto de titânio é usado principalmente em equipamentos de processamento de metais fundidos em alta temperatura, ferramentas de corte e peças resistentes ao desgaste.
Óxido de magnésio (MgO)
A condutividade térmica do óxido de magnésio está na faixa de 40 a 60 W/mK. É um material cerâmico condutor térmico de baixo custo que combina isolamento elétrico e condutividade térmica. Na área eletrônica, o óxido de magnésio é um excelente isolante e dissipador de calor. Além disso, também é frequentemente utilizado em materiais refratários e componentes de gerenciamento térmico.
Nitreto de silício (Si3N4)
A condutividade térmica do nitreto de silício está na faixa de 20 a 70 W/mK, mas possui excelentes propriedades mecânicas e estabilidade ao choque térmico, sendo insubstituível em determinadas aplicações específicas. Sua altíssima resistência e tenacidade permitem um bom desempenho em ambientes de alta temperatura. Em aplicações eletrônicas de alta temperatura, é frequentemente utilizado como material de embalagem e componente de dissipação de calor. Além disso, é também um excelente material para componentes de motores e sistemas de transmissão na indústria automotiva.
Alumina (Al2O3)
A condutividade térmica de alumina é relativamente baixo em comparação aos materiais cerâmicos anteriores, variando de 20 a 50 W/mK, mas devido à sua excelente relação custo-benefício e desempenho estável, também ocupa uma posição muito importante em algumas indústrias.
No campo de encapsulamento eletrônico, a cerâmica de alumina tornou-se o material de embalagem preferido para dispositivos eletrônicos de média e baixa potência devido às suas boas propriedades de isolamento, condutividade térmica moderada e preço acessível. A alumina possui boa ligação com metais e é muito adequada para a fabricação de substratos cerâmicos metalizados.
Carboneto de zircônio (ZrC)
O carboneto de zircônio é um material cerâmico de ultra-alta temperatura com condutividade térmica de 20-40 W/mK. A característica mais notável deste material é seu ponto de fusão extremamente alto, acima de 3500 °C, e sua excelente resistência à oxidação. Em alguns ambientes de ultra-alta temperatura, o carboneto de zircônio apresenta excelente estabilidade térmica e resistência mecânica.
Na indústria aeroespacial, o carboneto de zircônio é usado para fabricar componentes de sistemas de proteção térmica e componentes de sistemas de propulsão, especialmente por sua resistência à oxidação e estabilidade térmica.
No setor aeroespacial, o carboneto de zircônio é usado para fabricar componentes de sistemas de proteção térmica e componentes de sistemas de propulsão.
Como escolher o material cerâmico com a melhor condutividade térmica?
Ao escolher o melhor material cerâmico condutor térmico, você deve conduzir uma análise abrangente de comparação de dados.
De acordo com pesquisas confiáveis, o óxido de berílio (BeO) e o nitreto de alumínio (AlN) estarão na liderança em termos de condutividade térmica. A maior condutividade térmica do óxido de berílio pode chegar a 300 W/mK, enquanto o nitreto de alumínio vem logo atrás, com pureza extremamente alta, chegando a 200 W/mK. Esses dois materiais ocupam uma posição muito importante em algumas aplicações de encapsulamento eletrônico de ponta.
Se você precisa de um material cerâmico com alto custo-benefício, é necessário analisá-lo separadamente. Embora a condutividade térmica do óxido de alumínio seja relativamente baixa, seu custo é várias vezes menor que o do nitreto de alumínio, o que o torna mais vantajoso em algumas aplicações de baixo e médio porte. O nitreto de silício e o carboneto de silício alcançaram um melhor equilíbrio entre desempenho e custo e são mais adequados para algumas aplicações com propriedades mecânicas superiores.
De acordo com a análise de dependência da temperatura, a condutividade térmica da maioria dos materiais cerâmicos diminui com o aumento da temperatura. Por exemplo, a condutividade térmica do nitreto de alumínio diminui em cerca de 10-15% entre a temperatura ambiente e 100 °C. Em contraste, a degradação do desempenho do carboneto de silício em ambientes de alta temperatura é relativamente pequena. Em algumas aplicações de alta temperatura, você terá mais vantagens em usar carboneto de silício.
Aplicação de materiais cerâmicos condutores térmicos
Indústrias eletrônicas e de semicondutores
Cerâmicas de alta condutividade térmica, como nitreto de alumínio e carboneto de silício, são amplamente utilizadas em encapsulamentos eletrônicos e substratos de dissipação de calor. Elas podem transferir rapidamente o calor dos componentes eletrônicos, evitando o superaquecimento, resultando em degradação do desempenho e danos.
Entre eles, substratos de nitreto de alumínio se tornaram materiais de substrato ideais para lasers semicondutores e módulos de dissipação de calor de LED devido à sua condutividade térmica extremamente alta e baixo coeficiente de expansão térmica.
Aeroespacial
O setor aeroespacial impõe requisitos extremamente elevados quanto à confiabilidade dos materiais. Em alguns motores de aeronaves e espaçonaves, cerâmicas de carboneto de silício podem ser utilizadas na fabricação de bicos e trocadores de calor devido à sua condutividade térmica e estabilidade em altas temperaturas. Esses materiais podem conduzir e dissipar calor rapidamente em temperaturas extremas, melhorando a estabilidade da operação do equipamento.
Trocadores de calor de alta temperatura e equipamentos de economia de energia
Trocadores de calor cerâmicos são componentes muito importantes nas indústrias química e metalúrgica. O uso de materiais cerâmicos de alta condutividade térmica, como o carboneto de silício, pode agora melhorar a eficiência da troca de calor e reduzir as perdas de energia.
Campos de energia fotovoltaica e novas energias
Em módulos de células fotovoltaicas, substratos cerâmicos podem ser usados em diversas camadas de gerenciamento térmico para ajudar a melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica. No campo de novas energias, a aplicação de cerâmicas condutoras de calor também pode ajudar a melhorar o gerenciamento térmico das baterias e prolongar sua vida útil.
Eletrodomésticos e produtos eletrônicos de uso diário
Películas cerâmicas condutoras de calor podem ser usadas em uma variedade de necessidades diárias comuns, como luzes LED de alta potência e componentes de resfriamento de celulares, o que pode reduzir rapidamente a temperatura do dispositivo.
Equipamentos médicos
Em sondas ultrassônicas e alguns equipamentos médicos de alta precisão, a alta condutividade térmica dos materiais cerâmicos combinada com o isolamento elétrico pode garantir a estabilidade e a segurança do desempenho do equipamento.
Conclusão
Escolher o melhor material cerâmico condutor de calor requer uma análise abrangente de vários fatores. Agradecemos a leitura deste artigo e esperamos que ele possa ajudá-lo.
Saiba mais sobre materiais cerâmicos.