Wärmeausdehnungskoeffizienten von Hochleistungskeramiken

Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) ist einer der wichtigsten Parameter bei der Entwicklung und Anwendung von Hochleistungskeramik. Er bestimmt, wie stark sich ein Material bei Temperaturänderungen ausdehnt oder zusammenzieht, was bei Baugruppen aus mehreren Materialien, in Hochtemperaturumgebungen und bei Präzisionssystemen eine entscheidende Rolle spielt. Hochleistungskeramik, die für ihre hervorragende Dimensionsstabilität und ihre niedrigen WAK-Werte bekannt ist, wird in verschiedenen Industriezweigen häufig eingesetzt, um anspruchsvolle thermische Anforderungen zu erfüllen.

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Hochleistungskeramik - Thermische Eigenschaften - Thermische Ausdehnungskoeffizienten

Warum der Wärmeausdehnungskoeffizient wichtig ist

Die unterschiedliche Wärmeausdehnung verschiedener Materialien kann zu thermischen Spannungen, Rissen oder Delaminationen in Verbundstrukturen führen. Durch die Auswahl von Keramiken mit geeigneten WAKs können Ingenieure solche Risiken minimieren und die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Produkten verbessern.

Vorteile der Verwendung von Hochleistungskeramik mit geringer Wärmeausdehnung：

Keramiken mit niedrigem WAK wie Siliziumnitrid (Si₃N₄), Siliziumkarbid (SiC) und Aluminiumnitrid (AlN) weisen eine minimale Ausdehnung oder Kontraktion bei Temperaturänderungen auf. Dies gewährleistet:

  • Gleichbleibende Maßgenauigkeit bei hochpräzisen Anwendungen (z. B. Optik, Halbleiter).
  • Verhinderung von Verwerfungen, Verformungen oder Ausrichtungsfehlern während der Heiz- und Kühlzyklen.

Ein geringerer Ausdehnungskoeffizient reduziert die innere Spannung bei schnellen Temperaturschwankungen und minimiert das Risiko thermischer Risse. Dies macht Materialien wie Si₃N₄ und SiC ideal für:

  • Wärmetauscher
  • Brennerdüsen
  • Komponenten für die Luft- und Raumfahrt
  • Kfz-Motorenteile

Beim Verkleben von Keramik mit Metallen oder anderen Substraten ist die thermische Fehlanpassung eine der Hauptursachen für das Versagen von Verbindungen. Keramiken mit niedrigem CTE:

  • Reduzieren Sie die Grenzflächenspannung beim Metall-Keramik-Löten.
  • Verbesserung der langfristigen Abdichtung und Zuverlässigkeit in elektronischen Gehäusen und Durchführungen.
  • Ermöglicht eine bessere WAK-Anpassung an Halbleiter (z. B. GaN, Si) in der Elektronik.

In Teleskopen, Lasersystemen und Messgeräten können selbst Ausdehnungen im Mikrometerbereich die optischen Pfade verzerren. Keramiken mit niedrigem WAK:

  • Beibehaltung der optischen Ausrichtung über Temperaturbereiche hinweg.
  • werden häufig für Spiegel, Linsenhalterungen und Trägerstrukturen in der Weltraum- und Verteidigungsoptik verwendet (z. B. SiC in Weltraumteleskopen).

Durch die Verringerung der thermischen Ermüdung und der Ausbreitung von Mikrorissen verlängern Keramiken mit niedrigem WAK die Lebensdauer von Bauteilen in:

  • Leistungsstarke elektronische Module
  • Hochgeschwindigkeitslager
  • Hochtemperaturreaktoren

In Ultrahochvakuum- oder chemisch inerten Systemen, in denen thermische Spannungen nicht durch Diffusion oder Relaxation abgebaut werden können, helfen Keramiken mit niedrigem CTE:

  • Verhindern Sie strukturelles Versagen.
  • Aufrechterhaltung enger Toleranzen in Vakuumkammern, Röntgenröhren und Ionenstrahlsystemen.

CTEs-Daten der wichtigsten Hochleistungskeramiken

Keramisches Material (×10-⁶/K) bei 20-300 °C Merkmale
Siliziumkarbid (SiC) 2.3 Extrem hart, ausgezeichnete Korrosions- und Verschleißfestigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit
Siliziumnitrid (Si₃N₄) ~3.7 Hohe Bruchzähigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, geringe Dichte
Aluminiumnitrid (AlN) 4.2~5.6 Hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung, geringer dielektrischer Verlust
Beryllium-Oxid (BeO) ~6 Sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung, giftig in Pulverform
Bornitrid (h-BN) ~7.2 schmierend, thermisch stabil, elektrisch isolierend
Tonerde (Al₂O₃) 7.2~7.5 Hohe Härte, gute Verschleißfestigkeit, hervorragende elektrische Isolierung
Bearbeitbare Glaskeramik (MGC) 9.3 Leicht bearbeitbar, gute Durchschlagfestigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit
Zirkoniumdioxid (ZrO₂) ~10 Hohe Zähigkeit, geringe Wärmeleitfähigkeit, Phasenumwandlungszähigkeit

*Die Daten dienen nur als Referenz.

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Die Auswahl des richtigen Keramikmaterials mit Ausdehnungskoeffizient ist entscheidend für die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit und optimaler Leistung. Ganz gleich, ob Sie Aluminiumnitrid-, Siliziumnitrid- oder Siliziumkarbid-Keramik benötigen, unsere Materialien bieten branchenführende Leistung, Haltbarkeit und Präzision.

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Vergleich: Keramik vs. Metalle und Kunststoffe

Das nachstehende Balkendiagramm zeigt die Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener technischer Werkstoffe - von superharten Keramiken bis hin zu gewöhnlichen Industriekunststoffen - in der Reihenfolge von hoch bis niedrig.

Keramik
Metall
Kunststoff

*Die Daten dienen nur als Referenz.

Anwendungen auf der Grundlage des Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramik

  • Herausforderung:

    Bei der Fotolithografie und der Waferverarbeitung kann selbst eine Wärmeausdehnung im Mikrometerbereich zu Ausrichtungsfehlern oder Geräteausfällen führen. Metallteile neigen dazu, sich bei Wärme erheblich auszudehnen.

  • Lösung:

    • Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Aluminiumnitrid (AlN) werden aufgrund ihres niedrigen WAK (3,2-4,5 ×10-⁶/°C) als Struktur- oder Montagekomponenten verwendet, die bei schnellen Temperaturwechseln Formstabilität gewährleisten.
    • Diese Materialien bieten auch eine ausgezeichnete Temperaturwechselbeständigkeit und elektrische Isolierung, was ihre Eignung für Halbleiterumgebungen weiter erhöht.

  • Herausforderung:

    Das Hartlöten von Keramik an Metalle (z. B. Kovar, Molybdän) erfordert Materialien mit abgestimmten oder kompatiblen WAKs, um Rissbildung in der Verbindung bei Temperaturänderungen zu vermeiden.

  • Lösung:

    • Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einem WAK von ~7,1 kommt dem von Kovar (~6,5) sehr nahe, was es zu einem Standardmaterial für hermetische Durchführungen, Sensorgehäuse und Elektronikgehäuse macht.
    • Für eine höhere Festigkeit oder Zähigkeit kann Zirkoniumdioxid (ZrO₂) verwendet werden, allerdings mit speziellen Hartlotlegierungen oder Zwischenlagen, um die höhere Ausdehnung (~10,5) auszugleichen.

  • Herausforderung:

    LEDs mit hoher Helligkeit erzeugen viel Wärme, und das Substrat muss die Wärme effizient ableiten und gleichzeitig mechanisch intakt bleiben.

  • Lösung:

    • Aluminiumnitrid (AlN) bietet eine hohe Wärmeleitfähigkeit (~170 W/m-K) und einen mäßigen WAK (~4,5), wodurch es sich ideal als Substratmaterial eignet.
    • Seine thermische Ausdehnung ist mit GaN und anderen Halbleitern kompatibel, wodurch durch thermische Fehlanpassung verursachte Ausfälle minimiert werden.

  • Herausforderung:

    In Satelliten und Weltraumteleskopen sind optische Komponenten extremen Temperaturgradienten ausgesetzt, die zu Verformungen und Schärfeverlusten führen können.

  • Lösung:

    • Siliziumkarbid (SiC) wird aufgrund seines niedrigen WAK (~4,0), seiner hohen Steifigkeit und seines geringen Gewichts für Spiegelstrukturen ausgewählt.
    • Die NASA und die ESA haben SiC-Spiegel in Missionen wie Gaia und Herschel Space Observatory eingesetzt.

  • Herausforderung:

    Bei Prototypenwerkzeugen und Messvorrichtungen kann die Wärmeausdehnung die Maßhaltigkeit beeinflussen.

  • Lösung:

    • MGC (maschinell bearbeitbare Glaskeramik), wie z. B. Verbundwerkstoffe auf Fluorphlogopitbasis, bietet einen moderaten WAK (~9,0), der dem bestimmter Metalle und Glasarten nahe kommt.
    • Diese Materialien werden verwendet, wenn individuelle Formgebung, schnelle Lieferung und moderate thermische Leistung erforderlich sind.

Wichtige Materialien für die Wärmeausdehnung

Aluminiumnitridkeramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit

AlN-Keramik

CTE : 4,2-5,6(×10-⁶/K)

Siliziumnitridkeramik - Keramik mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten

Siliziumnitrid-Keramik

CTE : ~3,7(×10-⁶/K)

Aluminiumoxid-Keramik - Wärmeausdehnungskoeffizient Keramiken

Tonerde-Keramik

CTE : 7,2-7,5(×10-⁶/K)

Bearbeitbare Keramik - Wärmeausdehnungskoeffizient Keramik

MGC

CTE : 9.3(×10-⁶/K)

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

Keramik ist ionisch/kovalent in starren Gitterstrukturen gebunden; diese Bindung widersteht der atomaren Ausdehnung.

Aluminiumnitrid (AlN) mit einem WAK von ~4-5×10-⁶/K kommt dem von Silizium (~2,6) sehr nahe und verringert die thermische Belastung bei der Halbleiterherstellung.

Ja - wenn abgestimmte WAKs gewählt werden (z. B. Zirkoniumdioxid ~10 und Titanlegierung ~8,6), wird die Belastung minimiert. Andernfalls sind Klebemethoden wie Hartlöten oder flexible Klebstoffe erforderlich.

Yes-Macor (~9,3) bietet eine wiederholbare Leistung bis ~1000 °C und wird in Laborgeräten verwendet, bei denen Temperaturwechsel auftreten.

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