Топ-10 керамических материалов с лучшей теплопроводностью

С быстрым развитием современной промышленности управление температурой стало ключевым фактором, влияющим на производительность и надежность продукта. От высокопроизводительных вычислительных устройств до аэрокосмических компонентов выбор эффективных теплопроводных материалов стал необходимым фактором для этих высокопроизводительных приложений.

Керамические материалы обладают выдающимися характеристиками в области теплопроводности благодаря уникальному сочетанию свойств. Их теплопроводность лучше, чем у традиционных пластиковых материалов, и они также могут обеспечить превосходные электроизоляционные характеристики, что очень подходит для области электроники. Например, теплопроводность обычных керамических материалов на основе нитрида алюминия (AlN) достигает 180 Вт/мК, что намного превышает теплопроводность обычных конструкционных пластиков (0,2-0,4 Вт/мК). Это превосходное сочетание теплопроводности и электроизоляционных характеристик делает керамические материалы незаменимыми и важными в таких областях применения, как электронная упаковка и подложки для рассеивания тепла.

Вам интересно, какие 10 керамических материалов обладают лучшей теплопроводностью? Подпишитесь на нас и читайте дальше, и вы получите ответ.

Быстрые ссылки

1. Что такое теплопроводность?
2. Таблица теплопроводности распространенных керамических материалов
3. Десять керамических материалов с самой высокой теплопроводностью
4. Как выбрать керамический материал с лучшей теплопроводностью?
5. Применение керамических теплопроводящих материалов

Что такое теплопроводность?

Теплопроводность является важным показателем для измерения теплопроводности материалов. Его единицей является Ватт на метр Кельвина (Вт/мК). Этот показатель эффективности отражает прочность теплопроводности материала. Вам необходимо отметить, что теплопроводность керамических материалов не является постоянной величиной. На нее влияют различные факторы, будь то производственный процесс, чистота материала, размер зерна и рабочая температура, которые будут влиять на конечную теплопроводность керамических материалов.

Таблица теплопроводности распространенных керамических материалов

В реальных условиях теплопроводность материалов может немного отличаться из-за чистоты, кристаллической структуры, технологии обработки и внешних факторов окружающей среды.

Десять керамических материалов с самой высокой теплопроводностью

Оксид бериллия (BeO)

Оксид бериллия является одним из керамических материалов с лучшей теплопроводностью в настоящее время. Его теплопроводность составляет от 184 до 300 Вт/мК, что очень близко к теплопроводности некоторых металлических материалов. Его превосходная теплопроводность обусловлена его уникальной кристаллической структурой и сильными ковалентными связями.。

Оксид бериллия не только обладает превосходной теплопроводностью, но и электроизоляционными свойствами и низкой диэлектрической постоянной. Его прочность на сжатие может достигать 245 МПа, и он обладает хорошей стойкостью к тепловому удару. Он является важным компонентом терморегулирования для систем спутниковой связи в аэрокосмической отрасли; он также является превосходной подложкой для рассеивания тепла в мощных радиочастотных устройствах.

Однако оксид бериллия также сталкивается с серьезными проблемами. Сырье для оксида бериллия токсично и должно производиться в строгих условиях безопасности. Более того, процесс его производства очень сложен. Некоторые факторы привели к высокой стоимости его производства.

Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия является теплопроводным керамическим материалом с превосходными характеристиками. Диапазон его теплопроводности составляет 140-180 Вт/мК. В последние годы нитрид алюминия, керамический материал, привлек большое внимание благодаря своим всеобъемлющим превосходным характеристикам.

Нитрид алюминия обладает идеальным сочетанием превосходной теплопроводности и электроизоляционных свойств, а его коэффициент теплового расширения аналогичен коэффициенту теплового расширения полупроводников на основе кремния (4,5×10^-6/K), что демонстрирует уникальное преимущество в области электронной упаковки. Его высокая теплопроводность может использоваться для отвода тепла светодиодных чипов, теплоотводящих подложек для силовых модулей, радиочастотных устройств и больших интегральных схем, а также может значительно улучшить срок службы этих устройств.

Карбид кремния (SiC)

Теплопроводность карбид кремния колеблется от 120 до 180 Вт/мК. Это высокопроизводительный керамический материал с чрезвычайно широким применением, незаменимый во многих областях высокого класса.

Помимо превосходной теплопроводности, карбид кремния также обладает превосходной механической прочностью, прочностью на изгиб > 400 МПа, а также чрезвычайно высокой твердостью и хорошей износостойкостью. В некоторых промышленных применениях карбид кремния широко используется в высокотемпературных теплообменниках, механических уплотнениях, подшипниках и режущих инструментах благодаря своему уникальному сочетанию свойств, а в области электронных применений он также является очень важным упаковочным материалом.

Оксид меди и алюминия (CuAlO2)

Оксид меди и алюминия — это новый тип композитного оксидного керамического материала. Его теплопроводность находится в диапазоне 100–200 Вт/мК. Он обладает как хорошей тепло-, так и электропроводностью и может обеспечить новые решения для некоторых конкретных сценариев. план.

В электронной промышленности он привлек внимание благодаря своей двойной электро- и теплопроводности. Его можно увидеть в производстве некоторых термоэлектрических устройств и высокопроизводительных электронных компонентов.

Нитрид бора (BN)

Нитрид бора известен своей уникальной слоистой структурой и переменной теплопроводностью, которая варьируется от 20 до 300 Вт/мК в зависимости от его структуры. Среди них гексагональный нитрид бора (h-BN) имеет чрезвычайно высокую теплопроводность в направлении плоскости, до 200-250 Вт/мК, в то время как кубический нитрид бора (c-BN) обычно имеет теплопроводность 30-70 Вт/мК.。

Нитрид бора демонстрирует превосходную высокотемпературную стабильность, химическую инертность и самосмазываемость, а его превосходные электроизоляционные характеристики и низкая диэлектрическая постоянная делают его очень хорошим в области электроники. Особого внимания заслуживает тот факт, что нитрид бора может сохранять стабильную теплопроводность в условиях высоких температур, чего трудно достичь многим другим материалам.

Нитрид бора имеет широкий спектр применения в области теплопроводности. В аэрокосмической промышленности нитрид бора может широко использоваться в высокотемпературных изоляционных компонентах и системах терморегулирования. В электронной промышленности он также является отличным теплоотводящим субстратом и теплопроводящим интерфейсным материалом.

Диборид титана (TiB2)

Теплопроводность диборида титана находится в диапазоне 60-70 Вт/мК. Хотя это не самый высокий показатель среди многих керамических материалов, его уникальное сочетание свойств делает его важным для применения в определенных областях.

В промышленности диборид титана в основном используется в оборудовании для высокотемпературной обработки расплавленного металла, режущих инструментах и износостойких деталях.

Оксид магния (MgO)

Теплопроводность оксида магния находится в диапазоне 40-60 Вт/мК. Это экономически эффективный теплопроводящий керамический материал, который может сочетать электроизоляцию и теплопроводность. В области электроники оксид магния является очень хорошим изолирующим и теплорассеивающим материалом. Кроме того, его также часто используют в огнеупорных материалах и компонентах терморегулирования.

Нитрид кремния (Si3N4)

Теплопроводность нитрида кремния находится в диапазоне 20-70 Вт/мК, но он обладает очень превосходными механическими свойствами и термостойкостью и незаменим в некоторых конкретных применениях. Его чрезвычайно высокая прочность и ударная вязкость позволяют ему хорошо работать в высокотемпературных средах. В высокотемпературных электронных приложениях он часто используется в качестве упаковочного материала и компонента рассеивания тепла. Кроме того, он также является превосходным материалом для компонентов двигателей и трансмиссионных систем в автомобильной промышленности.

Глинозем (Al2O3)

Теплопроводность глинозем относительно низка по сравнению с предыдущими керамическими материалами и составляет 20–50 Вт/мК, но благодаря своей превосходной экономической эффективности и стабильным эксплуатационным характеристикам она также занимает очень важное место в некоторых отраслях промышленности.

В области электронной упаковки алюмооксидная керамика стала предпочтительным упаковочным материалом для электронных устройств средней и малой мощности из-за ее хороших изоляционных свойств, умеренной теплопроводности и умеренной цены. Оксид алюминия имеет хорошую связь с металлами и очень подходит для изготовления металлизированных керамических подложек.

Карбид циркония (ZrC)

Карбид циркония — это сверхвысокотемпературный керамический материал с теплопроводностью 20-40 Вт/мК. Наиболее примечательными особенностями этого материала являются его чрезвычайно высокая температура плавления (более 3500°C) и отличная стойкость к окислению. В определенных сверхвысокотемпературных средах карбид циркония демонстрирует превосходную термическую стабильность и механическую прочность. Например, в аэрокосмической промышленности карбид циркония используется для изготовления компонентов систем тепловой защиты и компонентов двигательных установок благодаря своей превосходной стойкости к окислению и термической стабильности.

Как выбрать керамический материал с лучшей теплопроводностью?

При выборе лучшего теплопроводящего керамического материала следует провести комплексный сравнительный анализ данных.

Согласно авторитетным исследованиям, оксид бериллия (BeO) и нитрид алюминия (AlN) будут занимать лидирующие позиции по теплопроводности. Самая высокая теплопроводность оксида бериллия может достигать 300 Вт/мК, в то время как нитрид алюминия находится немного позади, с чрезвычайно высокой чистотой, достигающей 200 Вт/мК. Эти два материала занимают очень важное положение в некоторых высококлассных электронных упаковочных приложениях.

Если вам нужен керамический материал с высокой стоимостью, вам нужно проанализировать его отдельно. Хотя теплопроводность оксида алюминия относительно низкая, его стоимость в несколько раз меньше, чем у нитрида алюминия, что делает его более выгодным в некоторых низкоуровневых и средних приложениях. Нитрид кремния и карбид кремния достигли лучшего баланса между производительностью и стоимостью и больше подходят для некоторых случаев с более высокими механическими свойствами.

Согласно анализу температурной зависимости, теплопроводность большинства керамических материалов уменьшается с ростом температуры. Например, теплопроводность нитрида алюминия уменьшается примерно на 10-15% между комнатной температурой и 100°C. Напротив, ухудшение характеристик карбида кремния в высокотемпературных средах относительно невелико. В некоторых высокотемпературных приложениях у вас будет больше преимуществ при использовании карбида кремния.

Применение керамических теплопроводящих материалов

Электронная и полупроводниковая промышленность

Керамика с высокой теплопроводностью, например, нитрид алюминия и карбид кремния, широко используется в электронных корпусах и теплоотводящих подложках. Они могут быстро отводить тепло от электронных компонентов, предотвращая их перегрев, что приводит к ухудшению производительности и повреждению.
Среди них подложки из нитрида алюминия стали идеальными материалами для подложек полупроводниковых лазеров и светодиодных модулей рассеивания тепла из-за их чрезвычайно высокой теплопроводности и низкого коэффициента теплового расширения.

Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической отрасли предъявляются чрезвычайно высокие требования к надежности материалов. В некоторых авиационных двигателях и космических аппаратах керамика из карбида кремния может использоваться в соплах и теплообменниках благодаря своей теплопроводности и высокотемпературной стабильности. Эти материалы способны быстро проводить и рассеивать тепло при экстремальных температурах, что повышает стабильность работы оборудования.

Высокотемпературные теплообменники и энергосберегающее оборудование

Керамические теплообменники являются очень важными компонентами в химической и металлургической промышленности. Использование керамических материалов с высокой теплопроводностью, таких как карбид кремния, теперь может повысить эффективность теплообмена и сократить потери энергии.

Фотоэлектрические и новые энергетические области

В фотоэлектрических модулях керамические подложки могут использоваться в различных слоях терморегулирования для повышения эффективности фотоэлектрического преобразования. В области новой энергетики применение теплопроводящей керамики также может помочь улучшить терморегулирование аккумулятора и продлить срок его службы.

Бытовая техника и повседневные электронные товары

Теплопроводящие керамические пленки могут использоваться в различных повседневных устройствах, таких как мощные светодиодные фонари и компоненты охлаждения мобильных телефонов, способные быстро снизить температуру устройства.

Медицинское оборудование

В ультразвуковых датчиках и некотором высокоточном медицинском оборудовании высокая теплопроводность керамических материалов в сочетании с электроизоляцией может обеспечить стабильность и безопасность работы оборудования.

Заключение

Выбор лучшего керамического теплопроводящего материала требует комплексного рассмотрения различных факторов. Спасибо за прочтение этой статьи, и я надеюсь, что она вам поможет.

Узнайте больше о керамических материалах.