Введение
Одним из лучших теплопроводящих материалов, которые вы можете найти сегодня в мире, является нитрид алюминия. Нитрид алюминия не только отлично проводит тепло в различных приложениях, но и обладает необходимой диэлектрической прочностью, чтобы быть исключительным электроизолятором. Неудивительно, что он приобретает такую большую популярность и широкое применение во многих отраслях. В сегодняшней статье вы узнаете об уникальных свойствах, синтезе и применении этого материал нитрид алюминия и нагреватели из нитрида алюминия. Вы также увидите, как производится нитрид алюминия, с какими проблемами вы можете столкнуться и каковы текущие тенденции рынка материала из нитрида алюминия.
Для чего используется нитрид алюминия?
Нитрид алюминия — это исключительно термостойкий керамический материал, состоящий из алюминия и азота. Он имеет химическую формулу AlN и небольшую атомную массу, которая связана ковалентно. Это кристаллическое бесцветное соединение считается первоклассным электроизолятором и полупроводниковым материалом. По правде говоря, сегодня невозможно говорить об электроизоляции и теплопроводности, не упомянув керамические материалы AlN. Это одни из лучших материалов, которые можно использовать в приложениях, связанных с мощной электроникой, нагревателями и радиаторами, поскольку они могут распространять и рассеивать тепло с впечатляющей скоростью, независимо от температуры, которой они подвергаются.
AlN — это твердый нитрид алюминия, который в основном существует в форме гексагонального вюрцита и метастабильной кубической фазы цинковой обманки. При комнатной температуре этот вюрцитный нитрид алюминия (w-AlN) имеет ширину запрещенной зоны 6 эВ, что позволяет ему эффективно работать на глубоких ультрафиолетовых частотах для оптоэлектроники. Простая, но мощная структура атомных связей AlN является одной из главных причин, по которой он имеет большую теплопроводность 320 Вт/мК-1. Примеси, такие как кислород, снижают теплопроводность AlN, в то время как легирование повышает электропроводность материала. Интересно, что вы можете использовать нитрид алюминия для снижения скорости потребления энергии в полупроводниках, защищая и покрывая их им.
Свойства материалов на основе нитрида алюминия
Керамический материал из нитрида алюминия обладает множеством уникальных свойств, которые делают его выдающимся и полезным во многих секторах. Вот некоторые из них:
-
Высокая теплопроводность 321 Вт/мК-1
-
Отличный электроизолятор
-
Способность оптимально работать даже при высоких температурах.
-
Низкий коэффициент теплового расширения 5,6 х 10-6К-1.
-
Высокая прочность на сжатие, твердость и стойкость к тепловому удару.
-
Высокая температура плавления — около 2200°C.
-
Высокая ширина запрещенной зоны — 6 эВ, уступает только бериллию.
-
Демонстрирует спонтанную поляризацию благодаря гексагональной кристаллической структуре вюрцита.
-
Высокая диэлектрическая прочность с диэлектрической проницаемостью 8,6.
-
Высокая пластичность и предел упругости 310 ГПа.
-
Впечатляющее окно прозрачности от 0,2 мкм до 13,6 мкм.
-
Полная совместимость с комплементарными металл-оксид-полупроводниками (КМОП).
-
Высокая устойчивость к расплавленным металлам, хлоридам, солям и щелочам.
-
Имеет плотность 3,32 г/см³.
-
Обладает удельной теплоемкостью 780 Дж.Кг/К-1.
Синтез материала нитрида алюминия
Бриглеб и Гейтер были первыми учеными, которые синтезировали (произвели) нитрид алюминия в 1862 году, и с тех пор так много отраслей промышленности теперь синтезируют этот важнейший полупроводниковый материал. Теперь вы можете синтезировать материал нитрида алюминия тремя основными способами, а именно:
Карботермическое восстановление глинозема:
Это наиболее распространенный способ получения высокочистого и водостойкого нитрида алюминия. В этом методе гидроксид алюминия или глинозем нагревают до температуры, достигающей 1750°C, в токе азота и углерода, который действует в основном как восстановитель.
Прямое азотирование алюминия:
AlN может быть синтезирован путем прямой реакции алюминиевого порошка и азотного газа при контролируемой температуре и скорости потока азотного газа. Диапазон температур нагрева составляет 650°C.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD):
Этот метод лучше всего работает при температурах в диапазоне 650°C - 750°C. В этом методе при определенных условиях, таких как хороший вакуум, соединение хлорида алюминия (AlCl3) азотируется газообразным аммиаком или азотом для получения AlN.
Применение материалов на основе нитрида алюминия
Керамический материал на основе нитрида алюминия применяется во многих отраслях промышленности, вот некоторые из них:
Электронная промышленность
Нитрид алюминия можно использовать для производства радиаторов для мощных электронных устройств, таких как светодиоды, компьютеры или мобильные устройства, которым требуется быстрое рассеивание тепла. Его также можно использовать для многих других компоненты микроэлектроники требующие высокой плотности. ВЧ-фильтры, электроизоляторы и датчики акустических волн используют керамический материал AlN.
Полупроводники
Подложки из нитрида алюминия обладают уникальной охлаждающей способностью, которую редко можно встретить в других полупроводниковых материалах. Неудивительно, что все больше полупроводниковых отраслей изготавливают нагревательные пластины, лазеры, зажимные кольца, микроволновые устройства и чип-носители из керамического материала AlN.
Военный
Керамические материалы на основе AlN можно использовать для производства военного оружия и транспортных средств, таких как бронированные танки, абразивы, высококачественные пули и т. д., благодаря их высокой удельной теплоемкости и способности выдерживать термические удары.
Огнеупорный
В некоторых отраслях промышленности огнеупорные свойства AlN теперь используются для изготовления футеровки печей, тиглей и теплоизоляторов, поскольку нитрид алюминия может легко выдерживать высокие температуры и сохранять оптимальные характеристики, не теряя формы.
Транспорт и автомобильная промышленность
Радиолокационные системы, силовые модули, аэрокосмические приборы, автомобильные запчасти и двигатели могут быть изготовлены из керамических материалов AlN.
Процесс производства нитрида алюминия
Для производства деталей из нитрида алюминия можно использовать несколько процессов в зависимости от технических характеристик продукта, стоимости производства и предполагаемого применения. Некоторые из этих процессов производства нитрида алюминия включают:
Холодное изостатическое прессование (ХИП)
Вы можете изготавливать детали из нитрида алюминия с помощью этого процесса, прикладывая одинаковое давление ко всем сторонам порошка AlN, прежде чем вы наконец приступите к обработке нитрида алюминия. Этот метод позволяет получать высокопроизводительные материалы из нитрида алюминия.
Литье керамики под давлением (CIM)
В этом методе вам нужно смешать порошок AlN с органическим носителем (связующим) и залить его в любую форму по вашему выбору (в зависимости от желаемой формы). После этого вы удаляете связующее и под воздействием высоких температур и давления спекаете его в желаемую форму. Спекание выполняется для того, чтобы материал AlN имел высокую плотность.
Литье порошков под низким давлением
Если вы хотите сэкономить и при этом производить материал AlN сложной формы, то этот метод вам подойдет лучше всего. Он очень похож на метод CIM, только он выполняется при низком давлении. Однако ваш материал AlN может треснуть, если вы не удалите органический носитель должным образом.
Кастинг ленты
Этот метод дает вам плотные детали из нитрида алюминия, которые могут похвастаться высокой совместимостью с металлическими электродами. В этом методе, прежде всего, вы должным образом смешиваете порошок AlN, диспергатор, органический носитель и пластификатор. Затем, отливая его на опорную поверхность, вы получите гладкую зеленую ленту, которую вы высушите и спекаете в течение 2-3 минут при температуре, достигающей 470°F.
Прецизионная обработка
Этот метод производства нитрида алюминия включает использование высокоточных станков с ЧПУ для шлифования и формования AlN. Однако производство нагревательных пластин из нитрида алюминия становится сложным процессом из-за чрезвычайной твердости керамического материала AlN. Чрезмерные вибрации во время обработки могут повредить или значительно снизить эффективность ваших режущих инструментов и машин из-за высокой прочности на сжатие этих деталей из нитрида алюминия. В результате вы можете использовать более эффективный инструмент, такой как поликристаллический алмаз (PCD), для обработки пластин из нитрида алюминия, в основном из-за содержащегося в них алмазного компонента. Помимо жесткой, твердой природы пластин из нитрида алюминия, еще одной проблемой, с которой сталкиваются производители при попытке обработки нагревательных пластин из нитрида алюминия, является высокая теплопроводность и хрупкость материала, что означает, что он может треснуть под сильным механическим напряжением, если с ним неправильно обращаться.
Характеристики нагревателей из нитрида алюминия
Нагреватели из нитрида алюминия — это нагревательные элементы, изготовленные в основном из нитрида алюминия. Несколько уникальных тепловых и электрических свойств AlN делают их способными выдерживать любые типы высоких температур, а также превосходную теплопередачу в любом приложении, которое вы считаете подходящим. Некоторые свойства нагревателей AlN:
-
Максимальная рабочая температура 1000°C.
-
Они обладают скоростью нагрева около 115°C в секунду.
-
Их плотность составляет 3,26 г/см³.
-
Они имеют теплопроводность 220 Вт/мК-1.
-
Максимальная плотность воска 155 Вт/см²
-
Они обладают толщиной, достигающей около 3 мм.
Применение нагревателей из нитрида алюминия
Нитрид алюминия можно использовать в различных областях, например:
Оптоэлектроника
Благодаря способности выдерживать высокие температуры и контролировать тепловую энергию алюминиевые нагреватели можно использовать в оптоэлектронике для производства лазерных диодов, светодиодных ламп и другой микроэлектроники.
Полупроводниковая промышленность
Вы можете использовать нагреватели из нитрида алюминия для сложных задач, таких как эпитаксия и физическое осаждение паров (PVD), которые требуют обработки пластин. Вы также можете тестировать измерительное оборудование в полупроводниковых приборах.
Лекарство
Вы также можете использовать нагреватели из нитрида алюминия в медицине для амплификации ДНК. Эти нагреватели AlN используются в медицинской лабораторной науке для производства оборудования для нескольких высококлассных тестов, таких как ДНК и полимеразная цепная реакция (ПЦР), благодаря их точному контролю температуры.
Производство электроплит
Эти алюминиевые нагреватели можно использовать для производства конфорок, которые вы используете для разогрева пищи дома. Их также можно использовать для производства промышленных нагревательных плит.
Химия
Вы можете использовать нагреватели AlN для производства оборудования, которому для оптимальной работы требуются очень высокие температуры. Часть этого оборудования может использоваться в химии для хроматографии, масс-спектрометрии и т. д.
Текущие тенденции рынка нитрида алюминия
По состоянию на 2023 год объем мирового рынка нитрида алюминия составил чуть более $151 миллиона. Если бы вы следили за тенденциями рынка в 2024 году, вы бы увидели заметный рост примерно на 11,5%, поскольку рынок вырос до $168 миллионов. Аналитики рынка заявили, что при совокупном годовом темпе роста (CAGR) 5,6% следует ожидать, что к 2030 году рыночная стоимость превысит $245 миллионов из-за возросшего мирового спроса и жесткой рыночной конкуренции. Североамериканская компания Surmet с тех пор стала ключевым игроком в крупномасштабном производстве и поставках AlN. Здесь, на ggsceramics, Вы также можете приобрести высококачественные и доступные по цене нагреватели из нитрида алюминия, керамические материалы из нитрида алюминия и другие изделия по вашему выбору.
Часто задаваемые вопросы
Является ли нитрид алюминия (AlN) взрывчатым материалом?
Нет, обычно AlN является химически инертным соединением, однако в присутствии хлорированных паров и кислот он может взорваться.
Токсичен ли нитрид алюминия?
Да, AlN может нанести вам серьезный вред, если вы его проглотите, проглотите или вдохнете. Он может вызвать раздражение кожи и глаз или повредить костный мозг и легкие.
Какой полупроводниковый материал лучше: нитрид алюминия или карбид кремния?
Полупроводниковые материалы для мощной электроники более эффективны, когда есть эффективная теплопроводность и рассеивание тепла. Очевидно, что материал из нитрида алюминия превосходит другие полупроводники в этом отношении из-за своей сверхширокой запрещенной зоны, то есть он опережает карбид кремния (SiC) в этом отношении.
Заключение
Керамический материал из нитрида алюминия уверенно открывает новые горизонты в полупроводниковой промышленности. От пластин нитрида алюминия до нагревателей и радиаторов из нитрида алюминия, применение AlN до сих пор охватывало несколько отраслей; Это хороший сектор для инвестиций, и, безусловно, будущее полупроводников надежно обеспечено нитридом алюминия, который прочно занимает лидирующие позиции.