Với sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp hiện đại, quản lý nhiệt đã trở thành yếu tố then chốt ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của sản phẩm. Từ các thiết bị điện toán hiệu suất cao đến các linh kiện hàng không vũ trụ, việc lựa chọn vật liệu dẫn nhiệt hiệu quả đã trở thành một yếu tố cần thiết cho các ứng dụng cao cấp này.
Vật liệu gốm có hiệu suất dẫn nhiệt vượt trội nhờ sự kết hợp độc đáo các đặc tính. Độ dẫn nhiệt của chúng tốt hơn so với vật liệu nhựa truyền thống, đồng thời mang lại hiệu suất cách điện tuyệt vời, rất phù hợp cho lĩnh vực điện tử. Ví dụ, độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm nhôm nitride (AlN) thông thường lên tới 180 W/mK, vượt xa nhựa kỹ thuật thông thường (0,2-0,4 W/mK). Sự kết hợp vượt trội giữa hiệu suất dẫn nhiệt và cách điện này khiến vật liệu gốm có vị trí quan trọng và không thể thay thế trong các ứng dụng như đóng gói điện tử và đế tản nhiệt.
Bạn có tò mò về 10 loại vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt tốt nhất không? Hãy theo dõi chúng tôi và đọc tiếp, bạn sẽ có câu trả lời.
Liên kết nhanh
- Độ dẫn nhiệt là gì?
- Bảng độ dẫn nhiệt của các vật liệu gốm thông dụng
- Mười vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao nhất
- Làm thế nào để chọn vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt tốt nhất?
- Ứng dụng của vật liệu dẫn nhiệt gốm
Độ dẫn nhiệt là gì?
Độ dẫn nhiệt là một chỉ số quan trọng để đo độ dẫn nhiệt của vật liệu. Đơn vị của nó là Watt trên mét Kelvin (W/mK). Chỉ số hiệu suất này phản ánh cường độ dẫn nhiệt của vật liệu. Cần lưu ý rằng độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm không phải là hằng số. Nó bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, chẳng hạn như quy trình sản xuất, độ tinh khiết của vật liệu, kích thước hạt và nhiệt độ vận hành, tất cả đều ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt cuối cùng của vật liệu gốm.
Bảng độ dẫn nhiệt của các vật liệu gốm thông dụng
Trong ứng dụng thực tế, độ dẫn nhiệt của vật liệu có thể thay đổi đôi chút tùy thuộc vào độ tinh khiết, cấu trúc tinh thể, công nghệ xử lý và các yếu tố môi trường bên ngoài.
|
Vật liệu gốm |
Độ dẫn nhiệt (W/m·K) |
|
Nhôm nitrua (AIN) |
170 |
|
Berili oxit (BeO) |
260 |
|
Silic cacbua (SiC) |
120-200 |
|
Silic nitrua (Si3N4) |
20-30 |
|
Nhôm oxit (Al2O3) |
25-35 |
|
Magnesia (MgO) |
60 |
|
Zirconia (ZrO2) |
2-3 |
|
Nitrua boron (BN) |
60 |
|
Bo cacbua (B4C) |
30-50 |
|
Ytri oxit (Y2O3) |
12 |
|
Titan oxit (TiO2) |
11 |
|
Silic oxit (SiO2) |
1.4 |
|
Cacbua vonfram (WC) |
85-100 |
|
Niobi Oxit (Nb2O5) |
6-8 |
|
Indi oxit (ln2O3) |
15 |
|
Canxi aluminat (CaAl2O4) |
6-10 |
|
Lanthanum oxit (La2O3) |
12-15 |
|
Rhodium oxit (Rh2O3) |
40-50 |
|
Gốm composite silicon carbide-graphite (SiC-C) |
120-200 |
|
Gốm composite silicon nitride-nhôm (Si3N4 Al203) |
20-40 |
|
Gốm composite nhôm-silicon carbide (AI2O3- SiC) |
50-70 |
|
Gốm composite nhôm nitride-nhôm (AIN- Al2O3) |
100-150 |
|
Gốm tổng hợp oxit zirconia-yttri (ZrO2-Y2O3) |
2-10 |
|
Gốm sứ composite nhôm-zirconia (AI203-ZrO2) |
10-20 |
|
Gốm composite silicon nitride-silicon carbide (Si3N4-SiC) |
80-120 |
|
Gốm composite silicon carbide-boron nitride (SiC-BN) |
100-150 |
|
Gốm composite nhôm-graphite (AI203-C) |
30-50 |
|
Gốm composite nhôm-magiê (AI2O3-MgO) |
50-70 |
Mười vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao nhất
Berili Oxit (BeO)
Beryllium oxide là một trong những vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt tốt nhất hiện nay. Độ dẫn nhiệt của nó dao động từ 184-300 W/mK, rất gần với độ dẫn nhiệt của một số vật liệu kim loại. Độ dẫn nhiệt vượt trội của nó là do cấu trúc tinh thể độc đáo và đặc tính liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ.
Beryllium oxide không chỉ có độ dẫn nhiệt tuyệt vời mà còn có đặc tính cách điện và hằng số điện môi thấp. Cường độ nén của nó có thể đạt tới 245MPa và khả năng chống sốc nhiệt tốt. Đây là thành phần quản lý nhiệt thiết yếu cho hệ thống thông tin vệ tinh trong lĩnh vực hàng không vũ trụ; đồng thời là chất nền tản nhiệt tuyệt vời trong các thiết bị RF công suất cao.
Tuy nhiên, oxit berili cũng phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng. Nguyên liệu thô của oxit berili rất độc hại và cần được sản xuất trong điều kiện an toàn nghiêm ngặt. Hơn nữa, quy trình sản xuất rất phức tạp. Một số yếu tố đã dẫn đến chi phí sản xuất cao.
Nhôm Nitrua (AlN)
Nhôm nitrua là vật liệu gốm dẫn nhiệt có hiệu suất vượt trội. Độ dẫn nhiệt của nó nằm trong khoảng 140-180 W/mK. Trong những năm gần đây, nhôm nitride, một loại vật liệu gốm, đã thu hút được nhiều sự chú ý nhờ hiệu suất vượt trội toàn diện của nó.
Nhôm nitride có sự kết hợp hoàn hảo giữa khả năng dẫn nhiệt và cách điện tuyệt vời, hệ số giãn nở nhiệt tương đương với chất bán dẫn gốc silicon (4,5×10^-6/K), thể hiện ưu điểm độc đáo trong lĩnh vực đóng gói điện tử. Độ dẫn nhiệt cao của nó có thể được sử dụng để tản nhiệt chip LED, đế tản nhiệt cho mô-đun nguồn, thiết bị tần số vô tuyến và mạch tích hợp quy mô lớn, đồng thời cải thiện đáng kể tuổi thọ của các thiết bị này.
Cacbua Silic (SiC)
Độ dẫn nhiệt của cacbua silic dao động từ 120-180 W/mK. Đây là vật liệu gốm hiệu suất cao có ứng dụng cực kỳ rộng rãi và không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực cao cấp.
Ngoài khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời, silicon carbide còn có độ bền cơ học tuyệt vời, độ bền uốn> 400MPa, độ cứng cực cao và khả năng chống mài mòn tốt. Trong một số ứng dụng công nghiệp, silicon carbide được sử dụng rộng rãi trong các bộ trao đổi nhiệt nhiệt độ cao, phớt cơ khí, ổ trục và dụng cụ cắt nhờ sự kết hợp các tính chất độc đáo của nó, và trong lĩnh vực ứng dụng điện tử, nó cũng là một vật liệu đóng gói rất quan trọng.
Đồng nhôm oxit (CuAlO2)
Đồng nhôm oxit là một loại vật liệu gốm oxit tổng hợp mới. Độ dẫn nhiệt của nó nằm trong khoảng 100-200 W/mK. Nó có cả khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt, có thể cung cấp các giải pháp mới cho một số tình huống cụ thể.
Trong ngành công nghiệp điện tử, nó thu hút sự chú ý nhờ khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt kép. Nó có thể được sử dụng trong sản xuất một số thiết bị nhiệt điện và linh kiện điện tử hiệu suất cao.
Nitrua Bo (BN)
Bo nitrua được biết đến với cấu trúc lớp độc đáo và độ dẫn nhiệt biến thiên, dao động từ 20-300 W/mK, tùy thuộc vào cấu trúc. Trong số đó, bo nitrua lục giác (h-BN) có độ dẫn nhiệt theo phương phẳng cực cao, lên tới 200-250 W/mK, trong khi bo nitrua khối (c-BN) thường có độ dẫn nhiệt từ 30-70 W/mK.
Boron nitride thể hiện độ ổn định nhiệt độ cao, tính trơ hóa học và khả năng tự bôi trơn tuyệt vời, cùng với hiệu suất cách điện tuyệt vời và hằng số điện môi thấp, khiến nó rất phù hợp trong lĩnh vực điện tử. Điều đáng chú ý là boron nitride vẫn có thể duy trì độ dẫn nhiệt ổn định trong môi trường nhiệt độ cao, điều mà nhiều vật liệu khác khó có thể đạt được.
Boron nitride có phạm vi ứng dụng rộng rãi về độ dẫn nhiệt. Trong ngành hàng không vũ trụ, boron nitride có thể được sử dụng rộng rãi trong các linh kiện cách nhiệt nhiệt độ cao và hệ thống quản lý nhiệt. Trong ngành công nghiệp điện tử, nó cũng là một vật liệu nền tản nhiệt và giao diện dẫn nhiệt tuyệt vời.
Titan DiBoride (TiB2)
Độ dẫn nhiệt của titan diborua nằm trong khoảng 60-70 W/mK. Mặc dù không phải là cao nhất trong số nhiều vật liệu gốm, nhưng sự kết hợp độc đáo các tính chất của nó khiến nó có giá trị ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực cụ thể.
Trong các ứng dụng công nghiệp, titan diboride chủ yếu được sử dụng trong thiết bị xử lý kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, dụng cụ cắt và các bộ phận chống mài mòn.
Magie oxit (MgO)
Độ dẫn nhiệt của magie oxit nằm trong khoảng 40-60 W/mK. Đây là vật liệu gốm dẫn nhiệt hiệu quả về mặt chi phí, có thể kết hợp cả tính chất cách điện và dẫn nhiệt. Trong lĩnh vực điện tử, magie oxit là vật liệu cách nhiệt và tản nhiệt rất tốt. Ngoài ra, nó cũng thường được sử dụng trong vật liệu chịu lửa và linh kiện quản lý nhiệt.
Silic Nitride (Si3N4)
Độ dẫn nhiệt của silicon nitride nằm trong khoảng 20-70 W/mK, nhưng nó có các đặc tính cơ học và độ ổn định sốc nhiệt rất tuyệt vời, và là vật liệu không thể thay thế trong một số ứng dụng cụ thể. Độ bền và độ dẻo dai cực cao cho phép nó hoạt động tốt trong môi trường nhiệt độ cao. Trong các ứng dụng điện tử nhiệt độ cao, nó thường được sử dụng làm vật liệu đóng gói và linh kiện tản nhiệt. Ngoài ra, nó cũng là một vật liệu tuyệt vời cho các bộ phận động cơ và hệ thống truyền động trong ngành công nghiệp ô tô.
Nhôm oxit (Al2O3)
Độ dẫn nhiệt của nhôm oxit tương đối thấp so với các vật liệu gốm trước đây, dao động từ 20-50 W/mK, nhưng do hiệu quả về chi phí tuyệt vời và hiệu suất ổn định nên nó cũng chiếm một vị trí rất quan trọng trong một số ngành công nghiệp.
Trong lĩnh vực đóng gói điện tử, gốm alumina đã trở thành vật liệu đóng gói được ưa chuộng cho các thiết bị điện tử công suất trung bình và thấp nhờ đặc tính cách điện tốt, độ dẫn nhiệt vừa phải và giá thành phải chăng. Alumina có khả năng liên kết tốt với kim loại và rất phù hợp để chế tạo đế gốm kim loại hóa.
Zirconium Carbide (ZrC)
Zirconi cacbua là vật liệu gốm chịu nhiệt độ cực cao với độ dẫn nhiệt từ 20-40 W/mK. Đặc điểm nổi bật nhất của vật liệu này là nhiệt độ nóng chảy cực cao (trên 3500°C) và khả năng chống oxy hóa tuyệt vời. Trong một số môi trường nhiệt độ cực cao, zirconi cacbua thể hiện độ ổn định nhiệt và độ bền cơ học tuyệt vời. Ví dụ, trong ngành hàng không vũ trụ, zirconi cacbua được sử dụng để sản xuất các bộ phận của hệ thống bảo vệ nhiệt và hệ thống động cơ đẩy nhờ khả năng chống oxy hóa và độ ổn định nhiệt tuyệt vời.
Làm thế nào để chọn vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt tốt nhất?
Khi lựa chọn vật liệu gốm dẫn nhiệt tốt nhất, bạn nên tiến hành phân tích so sánh dữ liệu toàn diện.
Theo nghiên cứu có thẩm quyền, berili oxit (BeO) và nhôm nitrua (AlN) sẽ dẫn đầu về độ dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt cao nhất của berili oxit có thể đạt tới 300 W/mK, trong khi nhôm nitrua bám sát phía sau, với độ tinh khiết cực cao đạt 200 W/mK. Hai vật liệu này chiếm vị trí rất quan trọng trong một số ứng dụng đóng gói điện tử cao cấp.
Nếu bạn cần một vật liệu gốm có hiệu suất chi phí cao, bạn cần phân tích riêng. Mặc dù độ dẫn nhiệt của nhôm oxit tương đối thấp, nhưng chi phí của nó lại thấp hơn nhiều lần so với nhôm nitride, điều này khiến nó có lợi thế hơn trong một số ứng dụng tầm thấp và tầm trung. Silicon nitride và silicon carbide đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa hiệu suất và chi phí, và phù hợp hơn cho một số ứng dụng đòi hỏi tính chất cơ học cao hơn.
Theo phân tích phụ thuộc nhiệt độ, độ dẫn nhiệt của hầu hết các vật liệu gốm giảm khi nhiệt độ tăng. Ví dụ, độ dẫn nhiệt của nhôm nitrua giảm khoảng 10-15% từ nhiệt độ phòng đến 100°C. Ngược lại, sự suy giảm hiệu suất của silicon carbide trong môi trường nhiệt độ cao tương đối nhỏ. Trong một số ứng dụng nhiệt độ cao, việc sử dụng silicon carbide sẽ mang lại nhiều lợi thế hơn.
Ứng dụng của vật liệu dẫn nhiệt gốm
Ngành công nghiệp điện tử và bán dẫn
Gốm dẫn nhiệt cao, chẳng hạn như nhôm nitride và silicon carbide, được sử dụng rộng rãi trong đóng gói điện tử và vật liệu tản nhiệt. Chúng có thể nhanh chóng truyền nhiệt ra khỏi các linh kiện điện tử, ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt, dẫn đến giảm hiệu suất và hư hỏng.
Trong số đó, chất nền nhôm nitride đã trở thành vật liệu nền lý tưởng cho laser bán dẫn và mô-đun tản nhiệt LED do có độ dẫn nhiệt cực cao và hệ số giãn nở nhiệt thấp.
Hàng không vũ trụ
Lĩnh vực hàng không vũ trụ có yêu cầu cực kỳ cao về độ tin cậy của vật liệu. Trong một số động cơ máy bay và tàu vũ trụ, gốm silicon carbide có thể được sử dụng làm vòi phun và bộ trao đổi nhiệt nhờ khả năng dẫn nhiệt và độ ổn định ở nhiệt độ cao. Những vật liệu này có thể dẫn nhiệt và tản nhiệt nhanh chóng ở nhiệt độ khắc nghiệt, cải thiện độ ổn định khi vận hành thiết bị.
Bộ trao đổi nhiệt độ cao và thiết bị tiết kiệm năng lượng
Bộ trao đổi nhiệt gốm là thành phần rất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa chất và luyện kim. Việc sử dụng vật liệu gốm có độ dẫn nhiệt cao như silicon carbide hiện nay có thể cải thiện hiệu suất trao đổi nhiệt và giảm thất thoát năng lượng.
Các lĩnh vực năng lượng quang điện và năng lượng mới
Trong các mô-đun pin quang điện, vật liệu nền gốm có thể được sử dụng trong nhiều lớp quản lý nhiệt khác nhau để giúp cải thiện hiệu suất chuyển đổi quang điện. Trong lĩnh vực năng lượng mới, việc ứng dụng gốm dẫn nhiệt cũng có thể giúp cải thiện khả năng quản lý nhiệt của pin và kéo dài tuổi thọ.
Đồ gia dụng và sản phẩm điện tử hàng ngày
Phim gốm dẫn nhiệt có thể được sử dụng trong nhiều nhu cầu thiết yếu hàng ngày, chẳng hạn như đèn LED công suất cao và linh kiện làm mát điện thoại di động, có thể nhanh chóng giảm nhiệt độ của thiết bị.
Thiết bị y tế
Trong đầu dò siêu âm và một số thiết bị y tế có độ chính xác cao, độ dẫn nhiệt cao của vật liệu gốm kết hợp với khả năng cách điện có thể đảm bảo tính ổn định và an toàn cho hiệu suất của thiết bị.
Phần kết luận
Việc lựa chọn vật liệu gốm dẫn nhiệt tốt nhất đòi hỏi phải cân nhắc toàn diện nhiều yếu tố. Cảm ơn bạn đã đọc bài viết này và hy vọng nó có thể giúp ích cho bạn.
Tìm hiểu thêm về vật liệu gốm.