Теплопроводность усовершенствованной керамики

Теплопроводность (k, в Вт/м-К) измеряет способность материала проводить тепло - критически важное свойство для электроники, аэрокосмической промышленности, энергетики и промышленных приложений. В этой статье мы рассмотрим, чем передовая керамика отличается от металлов и пластиков, почему она важна и где используется.

Твердость керамики: Свойства, сравнение и применение

Почему теплопроводность керамики имеет значение

Керамика широко используется для терморегулирования, поскольку она уникальным образом сочетает в себе высокую теплопроводность и отличную электроизоляцию. В отличие от металлов, которые проводят как тепло, так и электричество, современные керамики, такие как нитрид алюминия (AlN), оксид бериллия (BeO) и карбид кремния (SiC), могут эффективно передавать тепло, не допуская протекания электрического тока. Это делает их идеальными для электронных компонентов, силовых устройств и высокотемпературных приложений, где электрическая изоляция и надежный отвод тепла имеют решающее значение.

Кроме того, керамика предлагает:

  • Высокая термическая стабильность при повышенных температурах
  • Коррозионная стойкость в суровых условиях
  • Механическая прочность и долговечность при термоциклировании

В совокупности эти свойства позволяют керамике служить эффективными распределителями тепла, подложками и изолирующими теплоотводами в таких отраслях, как электроника, аэрокосмическая, автомобильная и энергетическая промышленность.

Как выбрать направление применения материалов?

  • Передовая керамика с высокой теплопроводностью подходит для основных частей терморегулирования, таких как электронная упаковка, аэрокосмический термоконтроль, полупроводниковые тепловые пластины и т.д.
  • Материалы со средней теплопроводностью в сочетании с высокой прочностью подходят для динамичных высокотемпературных компонентов, таких как высоконагруженные механические подшипники и сопла.
  • Материалы с низкой теплопроводностью используются в области изоляции и контроля температуры, например, в качестве теплоизоляционных покрытий и изоляционных перегородок.

Данные по теплопроводности основных перспективных керамик

Керамический материал k (Вт/м-К) Характеристики
Оксид бериллия (BeO) 230-330 Очень высокая теплопроводность, электроизоляция, токсичен в порошкообразном состоянии
Нитрид алюминия (AlN) 170-210 Высокая теплопроводность, электроизоляция, низкие диэлектрические потери
Карбид кремния (SiC) 120-200 Исключительная твердость, отличная коррозионная и износостойкость, высокая теплопроводность
Нитрид бора (h-BN) ~60 Смазка, термостабильность, электроизоляция
Глинозем (Al₂O₃) 25-35 Высокая твердость, хорошая износостойкость, отличная электроизоляция
Нитрид кремния (Si₃N₄) 20-30 Высокая вязкость разрушения, устойчивость к тепловому удару, низкая плотность
Цирконий (ZrO₂) 2-3 Высокая прочность, низкая теплопроводность, упрочнение за счет фазовых превращений
Обрабатываемая стеклокерамика (MGC) ~2 Легко поддается обработке, хорошая диэлектрическая прочность, низкая теплопроводность

*Данные приведены только для справки.

Нужна помощь в выборе подходящей керамики?

Выбор правильного керамического материала с высокой теплопроводностью имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной надежности и оптимальной производительности. Нужен ли вам оксид бериллия, нитрид алюминия или глиноземистый керамический лист Наши материалы обладают лучшими в отрасли характеристиками, долговечностью и точностью.

Наша техническая команда готова помочь - свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить квалифицированную консультацию, основанную на ваших конкретных потребностях.

Сравнение: Керамика по сравнению с металлами и пластмассами

На гистограмме ниже показана теплопроводность различных инженерных материалов - от сверхтвердой керамики до обычных промышленных пластмасс, расположенных в порядке от высокого к низкому.

Керамика Металл Пластик

*Данные приведены только для справки.

Области применения на основе керамической теплопроводности

  • Нанесение керамики:

    • Нитрид алюминия (AlN)
    • Оксид бериллия (BeO)
    • Нитрид кремния (Si₃N₄)
  • Примеры применения:

    • Изоляционная прокладка для подшипников с высокой тепловой нагрузкой: Si₃N₄ керамика обладает хорошей теплопроводностью (около 20-30 Вт/м-К), высокой термостойкостью и ударопрочностью, и используется в высокоскоростных шпинделях для эффективного проведения тепла и предотвращения перегрева.
    • Торцевая крышка для отвода тепла от двигателя: AlN обладает высокой теплопроводностью (около 170-220 Вт/м-К) и часто используется в высокоэффективных корпусах двигателей вместо традиционных металлов для снижения веса и теплового напряжения.
    • Теплообменная база оборудования высокой мощности: используется для охлаждения силового модуля станков с ЧПУ.
  • Нанесение керамики:

    • Нитрид алюминия (AlN)
    • Оксид бериллия (BeO)
    • Оксид алюминия (Al₂O₃)
  • Примеры применения:

    • Теплоотводящая подложка для модулей высокочастотной связи (AlN/BeO): Высокая теплопроводность (BeO >250 Вт/м-К), обеспечивающая контроль температуры микроволнового чипа в безопасном диапазоне, широко используется в модулях 5G и радарах.
    • Основа теплоотвода светодиодного пакета: AlN керамика имеет высокую теплопроводность и хорошую изоляцию, и является основным материалом для мощных светодиодных упаковок.
    • Подложка для упаковки IGBT/силовых полупроводников: AlN-подложка эффективно подавляет локальный перегрев микросхемы и увеличивает срок службы.
  • Нанесение керамики:

    • Нитрид алюминия (AlN)
    • Нитрид кремния (Si₃N₄)
    • Алюмооксидная керамика
  • Примеры применения:

    • Керамическая прокладка для терморегулирования силовых батарей: Керамика AlN используется для прокладок батарейных модулей, чтобы быстро отводить тепло и предотвращать тепловой выброс.
    • Подложка для силовых модулей систем управления: используется для теплоотводящей базы модулей SiC MOSFET для повышения эффективности охлаждения системы.
    • Керамические подшипники для систем электропривода: Si₃N₄ обладает хорошей теплопроводностью и электроизоляционными свойствами, и широко используется в подшипниках электродвигателей для снижения энергопотребления и повышения температуры.
  • Нанесение керамики:

    • Нитрид кремния (Si₃N₄)
    • Нитрид алюминия (AlN)
    • Оксид бериллия (BeO)
  • Примеры применения:

    • Теплоизоляция/теплопроводные керамические компоненты ракетных двигательных установок: например, втулки сопел и высокоскоростные газоходы, Si₃N₄ обладает одновременно теплостойкостью, теплопроводностью и ударопрочностью.
    • Основа для теплоотвода спутниковых электронных компонентов: Используйте BeO или AlN для эффективного рассеивания тепла, чтобы обеспечить стабильную рабочую температуру аэрокосмических электронных модулей.
    • Тепловой контроль высокоскоростного авиационного электронного оборудования: AlN-керамика используется для отвода тепла от силовых компонентов в системах управления полетом для повышения надежности системы.
  • Применение керамики:

    • Нитрид кремния (Si₃N₄)
    • Карбид кремния (SiC)
    • Глиноземистая керамика
  • Случаи применения:

    • Защитный рукав стального зонда температуры расплава (Si₃N₄, SiC): Обладая хорошей теплопроводностью и устойчивостью к химической коррозии, она может быстро передавать температурные сигналы и продлевать срок службы.
    • Алюминиевый расплавленный термос/сопло: использование керамики с высокой теплопроводностью (например, SiC) позволяет равномерно нагревать и избегать локального перегрева.
    • Защитная гильза термопары: керамическая оболочка с высокой теплопроводностью быстро реагирует на изменения температуры, обеспечивая точность контроля температуры плавки.

Керамика с высокой теплопроводностью

Связанная теплоизоляционная керамика

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Оксид бериллия (BeO) занимает первое место среди оксидных керамик с показателем ~285 Вт/м-К, приближаясь к показателям меди и сохраняя при этом электрическую изоляцию.

Они обладают высокой теплопроводностью и электроизоляцией - идеальны для отвода тепла в печатных платах, светодиодах, силовых полупроводниках.

Металлы, такие как медь, превосходят керамику (~400 против ~285 Вт/м-К), но керамика устойчива к коррозии, легче и не проводит электричество.

Основное внимание уделяется двумерным слоистым материалам h-BN, монокристаллическому SiC (>490 Вт/м-К) и композитам (например, AlSiC), предназначенным для согласования теплового расширения и высокой проводимости.