Vật liệu gốm truyền nhiệt: 10 lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng

Thiết bị điện tử hiện đại tạo ra nhiều nhiệt hơn bao giờ hết. Bạn cần vật liệu gốm có thể giúp bạn di chuyển nhiệt này một cách nhanh chóng và an toàn. Quản lý nhiệt kém sẽ phá hủy thiết bị đắt tiền và tạo ra rủi ro an toàn trong các ứng dụng hiệu suất cao ngày nay. Chọn đúng dẫn nhiệt gốm vật liệu tạo nên sự khác biệt giữa thành công của hệ thống và những thất bại tốn kém.

Điều gì làm cho gốm sứ vượt trội trong truyền nhiệt

Độ dẫn nhiệt của gốm hoạt động thông qua các rung động tinh thể được gọi là phonon. Bạn có được khả năng cách điện kết hợp với dẫn nhiệt, điều mà kim loại không thể có được. Khả năng chống sốc nhiệt giúp đồ gốm tồn tại qua những thay đổi nhiệt độ nhanh chóng trong khi tính ổn định hóa học có nghĩa là bền lâu hơn tính chất truyền nhiệt với ít bảo trì hơn.

10 vật liệu gốm tốt nhất cho khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời

1. Beryllium oxide (BeO) - Nhà vô địch về độ dẫn nhiệt tối đa

Độ dẫn nhiệt: 200-330 W/mK

oxit berili đạt được mức cao nhất độ dẫn nhiệt trong số oxit vật liệu gốm sứ. Hiệu suất này có thể so sánh với nhiều kim loại khác trong khi vẫn duy trì khả năng cách điện tuyệt vời.

Ứng dụng của dẫn nhiệt

• Làm mát điện tử cho các thiết bị công suất cao

• Hệ thống quản lý nhiệt hàng không vũ trụ

• Các thành phần lò phản ứng hạt nhân

• Tản nhiệt laser

Ưu điểm chính: BeO cung cấp hiệu suất truyền nhiệt tối đa trong khi vẫn nhẹ. Vì hệ số giãn nở nhiệt thấp nên nó phù hợp với silicon và phù hợp cho các ứng dụng bán dẫn.

Những hạn chế quan trọng: Hợp chất berili có độc tính trong quá trình xử lý. Yêu cầu các nhà cung cấp được chứng nhận có các giao thức an toàn phù hợp. Do chi phí cao nên việc sử dụng chỉ giới hạn ở các ứng dụng quan trọng.

2. Nhôm Nitride (AlN) - Tiêu chuẩn công nghiệp điện tử

Độ dẫn nhiệt: 150-250 W/mK

Nhôm nitrua kết hợp tuyệt vời độ dẫn nhiệt với khả năng cách điện tuyệt vời. Sự cân bằng này làm cho nó trở thành hiệu suất cao được sử dụng rộng rãi nhất vật liệu gốm dành cho thiết bị điện tử.

Ứng dụng của dẫn nhiệt

• Nhiệt LED bồn rửa cho hệ thống chiếu sáng

• Chất nền điện tử cho chất bán dẫn

• Gói điện tử công suất

• Giải pháp làm mát vi xử lý

Ưu điểm chính: AlN duy trì ổn định tính chất nhiệt lên đến 1000 ° C. Hệ số giãn nở nhiệt của nó là hoàn hảo tương thích với silicon để lắp ráp linh kiện điện tử đáng tin cậy.

Lợi ích thương mại: Sản xuất hàng loạt đã làm giảm đáng kể chi phí nhôm nitrua. Bây giờ, bạn có thể chỉ định AlN một cách tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng trung tính.

3. Silicon Carbide (SiC) - Chuyên gia về truyền nhiệt ở nhiệt độ cao

Độ dẫn nhiệt: 120-250 W/mK

Silic cacbua xuất sắc trong các ứng dụng truyền nhiệt ở nhiệt độ khắc nghiệt. Duy trì độ dẫn nhiệt và độ bền cơ học ngay cả ở những nơi mà các loại gốm sứ khác hoàn toàn không thể sử dụng được.

Ứng dụng truyền nhiệt

• Bộ trao đổi nhiệt cho quá trình xử lý hóa chất

• Linh kiện lò nhiệt độ cao

• Điện tử công suất xe điện

• Quản lý nhiệt tuabin khí

Ưu điểm chính: SiC tương ứng với nhiệt độ trên 1500 °C trong khi vẫn dẫn nhiệt hiệu quả. Khả năng chống hóa chất tuyệt vời và hiệu quả trong môi trường ăn mòn.

Ưu điểm thiết kế: silicon carbide các thành phần làm giảm trọng lượng hệ thống so với các giải pháp thay thế bằng kim loại. Điều này giúp các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ đạt được mục tiêu hiệu quả.

4. Boron Nitride (BN) - Chất dẫn nhiệt có thể gia công

Độ dẫn nhiệt: 20 đến 300 W/mK (tùy theo loại và hướng)

Nitrua bo cung cấp những lợi thế riêng của mình cho tùy chỉnh dẫn nhiệt Giải pháp. Bạn có thể dễ dàng xử lý các hình dạng phức tạp trong khi vẫn đạt được hiệu suất nhiệt tuyệt vời.

Ứng dụng truyền nhiệt

• Vật liệu giao diện nhiệt cho thiết bị điện tử

• Bộ tản nhiệt cho cụm đèn LED

• Lò nung nhiệt độ cao

• Phim kiểm soát nhiệt

Ưu điểm chính: Nitride boron được gia công giống như than chì, nhưng được cách điện. Nitride bo khối tinh thể có độ cứng gần bằng kim cương và có độ dẫn nhiệt tuyệt vời.

Ưu điểm của chế biến: BN không yêu cầu dụng cụ kim cương để gia công. Điều này làm giảm đáng kể chi phí sản xuất các thành phần truyền nhiệt phức tạp.

5. Gốm kim cương (Đa tinh thể) - Hiệu suất dẫn nhiệt tối ưu

Độ dẫn nhiệt: 1000-2000 W/mK

Gốm kim cương cung cấp cao nhất độ dẫn nhiệt có sẵn trong bất kỳ vật liệu nào. Hiệu suất cực cao này biện minh cho chi phí trong chuyên ngành truyền nhiệt ứng dụng.

Ứng dụng truyền nhiệt:

• Tản nhiệt diode laser

• Làm mát thiết bị RF công suất cao

• Quản lý nhiệt dụng cụ cắt

• Gói điện tử chuyên dụng

Ưu điểm chính: Không có gì sánh bằng kim cương truyền nhiệt hiệu quả. Bạn có được hiệu suất nhiệt tối đa với độ cứng và độ ổn định hóa học tuyệt vời.

Cân nhắc về chi phí: Gốm kim cương chi phí cao hơn đáng kể so với các lựa chọn khác. Chỉ sử dụng chúng khi tối đa độ dẫn nhiệt là hoàn toàn cần thiết cho hiệu suất của hệ thống.

6. Silicon Nitride (si₃n₄) - Độ dẫn nhiệt mạnh

Độ dẫn nhiệt: 15-180 W/mK

Nitrua silic duy trì sự cân bằng giữa dẫn nhiệt gốm và tuyệt vời tính chất cơ họcSự kết hợp này phù hợp cho các ứng dụng truyền nhiệt đòi hỏi khắt khe.

Ứng dụng truyền nhiệt

• Linh kiện động cơ ô tô

• Các bộ phận nhiệt của tua bin khí

• Vòng bi chịu nhiệt độ cao

• Thiết bị xử lý bán dẫn

Lợi ích chính: Si3N4 mạnh hơn về khả năng chịu sốc nhiệt và ứng suất cơ học so với hầu hết các loại gốm sứ. Độ bền của nó ngăn ngừa hư hỏng trong điều kiện sử dụng khắc nghiệt.

Lợi ích về độ tin cậy: Silicon nitride duy trì các đặc tính nhiệt trong suốt hàng ngàn chu kỳ nhiệt độ. Điều này làm giảm chi phí bảo trì cho các hệ thống truyền nhiệt công nghiệp.

7. Titanium Diboride (TiB₂) - Chuyên gia về nhiệt độ cao

Độ dẫn nhiệt: 60-120 W/mK

Titan diborua dẫn nhiệt hiệu quả để thích ứng với nhiệt độ khắc nghiệt. Do tính ổn định của nó, nó có giá trị trong dẫn nhiệt ứng dụng.

Ứng dụng dẫn nhiệt

• Thiết bị chế biến kim loại nóng chảy

• Lò nung nhiệt độ cao

• Dụng cụ cắt tiên tiến

• Linh kiện nhiệt hàng không vũ trụ

Ưu điểm chính: Bởi vì titan diborua trơ về mặt hóa học, có khả năng chống lại sự hư hỏng do kim loại nóng chảy.

Ứng dụng: Titan diborua được sử dụng khi đáng tin cậy dẫn nhiệt là cần thiết trong môi trường cực kỳ khắc nghiệt mà không thể sử dụng các vật liệu khác.

8. Nhôm oxit (alumina- Al₂O₃) - Chất dẫn nhiệt hiệu quả về mặt chi phí

Độ dẫn nhiệt: 20-39 W/mK

Nhôm oxit cung cấp cho bạn sự tin cậy dẫn nhiệt gốm  với chi phí hợp lý. Những phát triển gần đây đã cải thiện đáng kể khả năng dẫn nhiệt của các loại cao cấp.

Ứng dụng dẫn nhiệt

• Bao bì thiết bị điện tử nói chung

• Tản nhiệt LED tiêu dùng

• Cách điện để tản nhiệt

• Yếu tố làm nóng công nghiệp

Lợi ích chính: Nhôm oxit mang lại sự cân bằng tốt nhất giữa hiệu suất, tính khả dụng và chi phí cho nhu cầu dẫn nhiệt vừa phải.

Lợi ích kinh tế: Nhôm oxit tiêu chuẩn rẻ hơn nhiều so với gốm sứ cao cấp. Quản lý nhiệt phù hợp mà không sử dụng quá nhiều vật liệu đắt tiền.

9. Magie Oxit (MgO) - Cách điện với dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt: 40 đến 60 W/mK

Magie oxit có tuyệt vời dẫn nhiệt gốm và cách điện. Do đó, nó hữu ích cho các ứng dụng truyền nhiệt điện.

Ứng dụng truyền nhiệt

• Chất cách điện cần tản nhiệt

• Các bộ phận chịu nhiệt

• Hỗ trợ thanh gia nhiệt

• Quản lý nhiệt điện áp cao

Ưu điểm chính: MgO duy trì khả năng cách điện trong khi dẫn nhiệt hiệu quả. Độ ổn định nhiệt độ cao và phù hợp cho các ứng dụng điện.

Các biện pháp phòng ngừa khi chế biến Magie oxit hấp thụ độ ẩm trong không khí. Bảo quản và xử lý đúng cách là cần thiết để duy trì các đặc tính vật liệu trong quá trình xử lý.

10. Zirconia (ZrO₂) - Cách nhiệt để kiểm soát dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt: 2–3 W/mK

Zirconia điều khiển dẫn nhiệt cho các ứng dụng rào cản nhiệt. độ dẫn nhiệt thấp, nhưng tính chất này có giá trị cho một số ứng dụng nhất định.

Ứng dụng dẫn nhiệt

• Lớp phủ cách điện

• Hệ thống cách nhiệt lò

• Bảo vệ nhiệt động cơ

• Lớp lót chịu nhiệt

Ưu điểm chính: Zirconia có khả năng chống sốc nhiệt tuyệt vời và độ ổn định nhiệt độ cao. Thấp độ dẫn nhiệt bảo vệ các bộ phận bên dưới.

Ứng dụng thiết kế: Sử dụng zirconia khi cần hạn chế, thay vì thúc đẩy truyền nhiệt. Gốm này giúp tạo thành các rào cản nhiệt trong hệ thống nhiệt độ cao.

So sánh hiệu suất truyền nhiệt

Cách chọn vật liệu gốm phù hợp cho ứng dụng truyền nhiệt

Phân tích yêu cầu hiệu suất

Trước khi chọn vật liệu, hãy tìm hiểu xem bạn thực sự cần những gì:

• Nhu cầu nhiệt của bạn: Hầu hết các dự án đều hoạt động mà không có vấn đề gì với độ dẫn nhiệt trung bình thay vì các tùy chọn cao cấp đắt tiền.

• Phạm vi nhiệt độ: Silic cacbua tương ứng với nhiệt độ cao bất thường, trong khi nhôm nitrua hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ dưới 1000 °C.

• Tải nhiệt: Tính toán lượng nhiệt thực sự cần thiết để di chuyển.

• Môi trường: Hãy nghĩ đến việc tiếp xúc với hóa chất, chu trình nhiệt và ứng suất cơ học - những yếu tố này cũng quan trọng như các con số nhiệt.

Tối ưu hóa chi phí-hiệu suất

• Phân tích tổng chi phí: Phần thưởng vật liệu gốm thường làm giảm độ phức tạp của hệ thống và chi phí vận hành, mặc dù chi phí ban đầu cao.

• Những cân nhắc về sản xuất: Trong các ứng dụng sản xuất hàng loạt, khuôn mẫu được coi là giải pháp tối ưu hóa các vật liệu đắt tiền như nhôm nitrua.

• Đánh giá nhà cung cấp: Làm việc với các nhà cung cấp được chứng nhận có hỗ trợ kỹ thuật và tính chất vật liệu đồng nhất cho các ứng dụng truyền nhiệt quan trọng.

Hướng dẫn lựa chọn theo ứng dụng

Chọn vật liệu phù hợp với mục đích sử dụng thực tế của bạn:

• Làm mát điện tử: Sử dụng nhôm nitrua hoặc berili oxit cung cấp khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời trong khi vẫn đảm bảo an toàn về điện. Lý tưởng cho bộ tản nhiệt LED, gói chip và thiết bị điện tử công suất nhiệt độ cao.

• Vật liệu chịu nhiệt độ cao: Silic cacbua Và titan diborua là đồng minh khi mọi thứ trở nên nóng bất thường. Chúng có hiệu quả ở những nơi sử dụng các vật liệu khác, chẳng hạn như bộ trao đổi nhiệt, bộ phận lò và bộ phận tua bin khí.

• Dự án kinh phí thấp: Nhôm oxit Và magiê oxit có hiệu quả khi thích hợp độ dẫn nhiệt là cần thiết mà không tốn nhiều tiền. Thích hợp cho các vật liệu quá nổi bật như đồ điện tử nói chung, nhu yếu phẩm hàng ngày và làm mát cơ bản.

• Hình dạng kỳ lạ: Nitride boron rất tuyệt vì nó có thể được xử lý thành bất kỳ hình dạng kỳ lạ nào nếu cần. Lý tưởng cho các giao diện nhiệt, các bộ phận đặc biệt và nguyên mẫu không hoạt động tốt với các hình dạng tiêu chuẩn.

Cân nhắc cuối cùng

Lựa chọn vật liệu gốm dựa trên thực tế truyền nhiệt nhu cầu chứ không phải tối đa độ dẫn nhiệt. Giải pháp tốt nhất là cân bằng giữa yêu cầu về hiệu suất và hạn chế về chi phí cho các ứng dụng và điều kiện sử dụng cụ thể. Liên hệ GGSCERAMIC để được hướng dẫn chuyên môn về việc lựa chọn vật liệu gốm thích hợp cho truyền nhiệt ứng dụng.