giriiş
Günümüzde küresel olarak bulabileceğiniz en iyi ısı iletkeni malzemelerden biri Alüminyum Nitrürdür. Alüminyum nitrür çeşitli uygulamalarda ısıyı mükemmel bir şekilde iletmekle kalmaz, aynı zamanda olağanüstü bir elektrik yalıtkanı olmak için gereken dielektrik mukavemetine de sahiptir. Çok fazla popülerlik kazanması ve birçok endüstride yaygın olarak kullanılması şaşırtıcı değildir. Bugünkü yazımızda, bu malzemenin benzersiz özellikleri, sentezi ve uygulamaları hakkında bilgi edineceksiniz alüminyum nitrür malzemesi ve alüminyum nitrür ısıtıcıları. Ayrıca alüminyum nitrürün nasıl üretildiğini, karşılaşabileceğiniz zorlukları ve alüminyum nitrür malzemesinin güncel piyasa eğilimlerini de göreceksiniz.
Alüminyum Nitrür Ne İçin Kullanılır?
Alüminyum Nitrür, Alüminyum ve Azottan oluşan olağanüstü ısıya dayanıklı bir seramik malzemedir. Kimyasal formülü AlN ve kovalent olarak bağlanmış küçük bir atom kütlesine sahiptir. Bu kristalin renksiz bileşik, birinci sınıf bir elektrik yalıtkanı ve yarı iletken malzeme olarak kabul edilir. Gerçek şu ki, bugün AlN seramik malzemelerden bahsetmeden elektrik yalıtımı ve ısı iletkenliğinden bahsedemezsiniz. Yüksek güçlü elektronikler, ısıtıcılar ve ısı emiciler içeren uygulamalar söz konusu olduğunda kullanabileceğiniz en iyi malzemelerden biridir çünkü maruz kaldıkları sıcaklığa bakılmaksızın etkileyici bir oranda ısıyı yayabilir ve dağıtabilirler.
AlN, esas olarak hekzagonal wurtzite kristal formunda ve metastabil kübik çinko blende fazında bulunan katı bir alüminyum nitrürüdür. Oda sıcaklığında, bu wurtzite alüminyum nitrürü (w-AlN), optoelektronik için derin ultraviyole frekanslarında verimli bir şekilde çalışmasını sağlayan 6 eV'lik bir bant aralığına sahiptir. AlN'nin basit ancak güçlü atomik bağ yapısı, 320 w/mk-1'lik büyük bir termal iletkenliğe sahip olmasının başlıca nedenlerinden biridir. Oksijen gibi safsızlıklar AlN'nin termal iletkenliğini azaltırken, katkılama malzemenin elektriksel iletkenliğini artırır. İlginç bir şekilde, alüminyum nitrürü, yarı iletkenlerdeki güç tüketim oranını, onları koruyarak ve kaplayarak azaltmak için kullanabilirsiniz.
Alüminyum Nitrür Malzemelerinin Özellikleri
Alüminyum nitrür seramik malzemesi, onu birçok sektörde olağanüstü ve kullanışlı kılan birçok benzersiz özelliğe sahiptir. İşte bunlardan bazıları:
-
321 W/mk-1 yüksek ısı iletkenliği
-
Mükemmel elektrik yalıtkanı
-
Yüksek sıcaklıklarda bile optimum performans gösterebilme yeteneği.
-
5.6 x 10-6K-1'lik düşük termal genleşme katsayısı.
-
Yüksek basınç dayanımı, sertlik ve ısıl şok direnci.
-
Yaklaşık 2.200°C'lik yüksek erime noktasına sahiptir.
-
6 eV'luk yüksek geniş bant aralığına sahip olup, Beryllia'dan sonra ikinci sıradadır.
-
Hekzagonal wurtzite kristal yapısı nedeniyle kendiliğinden polarizasyon gösterir.
-
8.6 dielektrik sabiti ile yüksek dielektrik dayanımı.
-
Yüksek süneklik ve 310 GPa elastiklik sınırı.
-
0,2 μm - 13,6 μm etkileyici şeffaflık penceresi.
-
Tamamlayıcı Metal Oksit Yarı İletken (CMOS) ile sorunsuz uyumluluk.
-
Erimiş metallere, klorürlere, tuzlara ve alkalilere karşı güçlü direnç.
-
Yoğunluğu 3.32g/cm³’tür.
-
780 J.Kg/K-1 özgül ısı kapasitesine sahiptir.
Alüminyum Nitrür Malzemesinin Sentezi
Briegleb ve Geuther, 1862'de Alüminyum Nitrür'ü sentezleyen (üreten) ilk bilim insanlarıydı ve o zamandan beri, birçok endüstri artık bu çok önemli yarı iletken malzemeyi sentezliyor. Şimdi, alüminyum nitrür malzemesini üç ana yolla sentezleyebilirsiniz:
Alüminanın karbotermal indirgenmesi:
Bu, son derece saf ve suya dayanıklı alüminyum nitrür üretmenin en yaygın yoludur. Bu yöntemde, alüminyum hidroksit veya alümina, esas olarak indirgeyici madde olarak görev yapan bir azot gazı akımı ve karbon altında 1.750°C'ye ulaşan bir sıcaklığa ısıtılır.
Alüminyumun Doğrudan Nitrürlenmesi:
AlN, alüminyum tozu ve azot gazının kontrollü sıcaklık ve azot gazı akış hızı altında doğrudan reaksiyona sokulmasıyla sentezlenebilir. Isıtma için sıcaklık aralığı 650°C'dir.
Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD):
Bu yöntem 650°C - 750°C aralığındaki sıcaklıklarda en iyi şekilde çalışır. Bu yöntemde, iyi vakum gibi belirli koşullar altında, alüminyum klorür bileşiği (AlCl3), AlN üretmek için amonyak gazı veya azot ile nitrürlenir.
Alüminyum Nitrür Malzemelerinin Uygulamaları
Alüminyum nitrür seramik malzemenin uygulamaları pek çok endüstriye yayılmıştır, bunlardan bazıları şunlardır:
Elektronik Sanayi
Alüminyum nitrürü, hızlı ısı dağılımı gerektiren LED, bilgisayar veya mobil cihazlar gibi yüksek güçlü elektronikler için ısı emiciler üretmek için kullanabilirsiniz. Ayrıca birçok başka şey için de kullanılabilir mikroelektronik bileşenler Yüksek yoğunluk gerektiren. RF Filtreleri, elektrik yalıtkanları ve akustik dalga sensörlerinin hepsinde AlN seramik malzemesi kullanılır.
Yarı iletkenler
Alüminyum nitrür alt tabakalar, diğer yarı iletken malzemelerde nadiren bulabileceğiniz çok benzersiz bir soğutma yeteneğine sahiptir. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, daha fazla yarı iletken endüstrisi, AlN seramik malzemeden ısıtma plakaları, lazerler, kelepçe halkaları, mikrodalga cihazları ve çip taşıyıcıları üretiyor.
Askeri
Yüksek özgül ısı kapasitesi ve termal şoka dayanıklılık özelliği nedeniyle AlN seramik malzemelerini zırhlı tanklar, aşındırıcılar, yüksek kaliteli mermiler gibi askeri silah ve araçların üretiminde kullanabilirsiniz.
Ateşe dayanıklı
Bazı endüstriler artık alüminyum nitrürün zorlu sıcaklıklara rahatlıkla dayanabilmesi ve formunu kaybetmeden optimum performans gösterebilmesi nedeniyle fırın astarları, pota ve ısı yalıtkanları üretmek için AlN'nin refrakter özelliğinden yararlanıyor.
Ulaştırma ve Otomotiv Sanayi
AlN seramik malzemelerden radar sistemleri, güç modülleri, havacılık cihazları, otomobil yedek parçaları ve motorlar üretilebilmektedir.
Alüminyum Nitrür Üretim Süreci
Ürün özelliklerine, üretim maliyetine ve amaçlanan uygulamaya bağlı olarak alüminyum nitrür parçaları üretmek için çeşitli işlemler kullanılabilir. Bu alüminyum nitrür üretim işlemlerinden bazıları şunlardır:
Soğuk İzostatik Presleme (CIP)
Son olarak alüminyum nitrür işlemeye geçmeden önce AlN tozunun her tarafına eşit basınç uygulayarak bu işlemle alüminyum nitrür parçaları üretebilirsiniz. Bu yöntem yüksek performanslı alüminyum nitrür malzemeleri üretir.
Seramik Enjeksiyon Kalıplama (CIM)
Bu yöntemde, AlN tozunuzu organik bir taşıyıcı (bağlayıcı) yardımıyla karıştırmanız ve istediğiniz herhangi bir kalıba (istediğiniz şekle bağlı olarak) dökmeniz gerekir. Daha sonra, bağlayıcıyı çıkarırsınız ve yüksek sıcaklıklar ve basınç altında istediğiniz şekle sinterlersiniz. Sinterleme, AlN malzemesinin sıkı bir yoğunluğa sahip olmasını sağlamak için yapılır.
Düşük Basınçlı Toz Enjeksiyon Kalıplama
Maliyetten tasarruf etmek ve yine de karmaşık şekilli bir AlN malzemesi üretmek istiyorsanız, bu yöntem sizin için en iyisidir. CIM yöntemine çok benzer, yalnızca düşük basınçlarda yapılır. Ancak, organik taşıyıcıyı düzgün bir şekilde çıkarmazsanız AlN malzemeniz çatlayabilir.
Bant Dökümü
Bu yöntem size metal elektrotlarla yüksek uyumluluk gösteren yoğun alüminyum nitrür parçaları verir. Bu yöntemde, öncelikle AlN tozunu, dağıtıcıyı, organik taşıyıcıyı ve bir plastikleştiriciyi uygun şekilde karıştırırsınız. Daha sonra, bir destek yüzeyine dökersiniz, kuruttuğunuz ve 470°F'ye ulaşan sıcaklıklarda 2-3 dakika sinterlediğiniz pürüzsüz yeşil bir bant elde edersiniz.
Hassas İşleme
Bu alüminyum nitrür üretim yöntemi, AlN'yi taşlamak ve şekillendirmek için yüksek hassasiyetli CNC makinelerinin kullanılmasını içerir. Ancak, AlN seramik malzemesinin aşırı sertliği nedeniyle alüminyum nitrür ısıtma plakalarının üretimi zorlu bir süreç haline geliyor. İşleme sırasında aşırı titreşimler, bu alüminyum nitrür parçalarının yüksek basınç dayanımı nedeniyle kesme aletlerinize ve makinelerinize zarar verebilir veya bunların etkinliğini büyük ölçüde engelleyebilir. Sonuç olarak, esas olarak içlerindeki Elmas bileşeni nedeniyle alüminyum nitrür plakaları işlemek için PolyCrystalline Diamond (PCD) gibi daha etkili bir araç kullanabilirsiniz. Alüminyum nitrür plakaların sert, dayanıklı yapısının yanı sıra, üreticilerin alüminyum nitrür ısıtma plakalarını işlemeye çalışırken karşılaştıkları bir diğer zorluk da malzemenin yüksek ısı iletkenliği ve kırılganlığıdır, yani düzgün bir şekilde işlenmezse ağır mekanik stres altında çatlayabilir.
Alüminyum Nitrür Isıtıcıların Özellikleri
Alüminyum nitrür ısıtıcılar, esas olarak alüminyum nitrür malzemeden üretilen ısıtma elemanlarıdır. AlN'nin çeşitli benzersiz termal ve elektriksel özellikleri, her türlü yüksek sıcaklığın üstesinden gelmelerini ve uygun gördüğünüz her türlü uygulamada mükemmel ısı transferi sağlamalarını sağlar. AlN ısıtıcıların bazı özellikleri şunlardır:
-
Maksimum çalışma sıcaklığı 1.000°C’dir.
-
Saniyede yaklaşık 115°C'lik bir ısıtma hızına sahiptirler.
-
Yoğunlukları 3.26g/cm³’tür.
-
220w/mk-1 ısı iletkenliğine sahiptirler
-
Maksimum mum yoğunluğu 155w/cm²
-
Yaklaşık 3 mm'ye ulaşan bir kalınlığa sahiptirler
Alüminyum Nitrür Isıtıcıların Uygulamaları
Alüminyum nitrürü çeşitli uygulamalarda kullanabilirsiniz, örneğin:
Optoelektronik
Yüksek sıcaklıkları yönetme ve termal enerjiyi kontrol etme kabiliyetleri nedeniyle, optoelektronikte alüminyum ısıtıcıları kullanarak lazer diyotlar, LED ışıklar ve diğer mikroelektronikler üretebilirsiniz.
Yarıiletken Endüstrisi
Alüminyum nitrür ısıtıcıları, wafer işleme gerektiren epitaksi ve Fiziksel Buhar Biriktirme (PVD) gibi karmaşık görevler için kullanabilirsiniz. Ayrıca yarı iletken cihazlardaki ölçüm ekipmanlarını da test edebilirsiniz.
İlaç
Alüminyum nitrür ısıtıcıları tıpta DNA amplifikasyonu için de kullanabilirsiniz. Bu AlN ısıtıcılar, hassas sıcaklık kontrolleri nedeniyle DNA ve Polimeraz Zincir Reaksiyonu (PCR) gibi birkaç yüksek profilli test için ekipman üretmek amacıyla tıbbi laboratuvar biliminde kullanılır.
Sıcak Plaka Üretimi
Bu alüminyum ısıtıcılar, evinizde yiyeceklerinizi ısıtmak için kullandığınız sıcak plakaları üretmek için kullanılabilir. Ayrıca endüstriyel ısıtma plakaları yapmak için de kullanılabilir.
Kimya
AlN ısıtıcıları, optimum şekilde çalışması için çok yüksek sıcaklıklar gerektiren ekipmanlar üretmek için kullanabilirsiniz. Bu ekipmanların bir kısmı kimyada kromatografi, kütle spektrometrisi vb. için kullanılabilir.
Alüminyum Nitrür'ün Güncel Pazar Trendleri
2023 itibariyle, alüminyum nitrürün küresel pazar büyüklüğü $151 milyonun biraz üzerindeydi. 2024'teki pazar eğilimlerini takip ederseniz, pazar $168 milyona yükselirken yaklaşık 11,5%'lik önemli bir artış görürsünüz. Pazar analistleri, 5,6%'lik Bileşik Yıllık Büyüme Oranı (CAGR) ile artan küresel talep ve sert pazar rekabeti nedeniyle 2030 yılına kadar $245 milyonun üzerinde bir pazar değeri beklemeniz gerektiğini söyledi. Kuzey Amerika şirketi Surmet o zamandan beri büyük ölçekli AlN üretimi ve tedarikinde önemli bir oyuncu oldu. Burada, ggs seramikleri, Ayrıca yüksek kaliteli ve uygun fiyatlı alüminyum nitrür ısıtıcıları, alüminyum nitrür seramik malzemeleri ve tercih ettiğiniz ürünleri de satın alabilirsiniz.
Sıkça Sorulan Sorular
Alüminyum Nitrür (AlN) patlayıcı bir malzeme midir?
Hayır, AlN normalde kimyasal olarak inert bir bileşiktir; ancak klorlu buharlar ve asitlerin varlığında patlayabilir.
Alüminyum nitrür toksik midir?
Evet, AlN yutulduğunda, yutulduğunda veya solunduğunda ciddi zararlara yol açabilir. Cilt ve göz tahrişine neden olabilir veya kemik iliğine ve akciğerlere zarar verebilir.
Alüminyum Nitrür ile Silisyum Karbür arasında daha iyi bir yarı iletken malzeme hangisidir?
Yüksek güç elektroniği için yarı iletken malzemeler, verimli termal iletkenlik ve ısı dağılımı olduğunda daha etkilidir. Açıkça, alüminyum nitrür malzemesi bu konuda diğer yarı iletkenleri geride bırakır, çünkü ultra geniş bant aralığına sahiptir, yani bu konuda Silisyum Karbür'ün (SiC) önüne geçer.
Çözüm
Alüminyum Nitrür seramik malzeme, yarı iletken endüstrisinde istikrarlı bir şekilde yeni bir çığır açıyor. Alüminyum nitrür plakalardan alüminyum nitrür ısıtıcılara ve ısı emicilere kadar, AlN'nin uygulamaları şimdiye kadar birçok endüstriyi etkiledi; yatırım yapmak için iyi bir sektör ve kesinlikle, yarı iletkenlerin geleceği, alüminyum nitrürün sürücü koltuğunda sağlam bir şekilde yer almasıyla parlak bir şekilde güvence altına alındı.