Коэффициенты теплового расширения усовершенствованной керамики

Коэффициент теплового расширения (CTE) - один из наиболее важных параметров при разработке и применении передовой керамики. Он определяет, насколько сильно расширяется или сжимается материал при изменении температуры, что играет решающую роль в сборках из нескольких материалов, высокотемпературных средах и прецизионных системах. Передовая керамика, известная своей превосходной стабильностью размеров и низкими значениями CTE, широко используется в различных отраслях промышленности для удовлетворения высоких температурных требований.

Перейти к

Данные | Сравнение | Приложения | Вопросы и ответы | Связанные

Твердость керамики: Свойства, сравнение и применение

Почему коэффициент теплового расширения имеет значение

Несоответствие теплового расширения различных материалов может привести к термическому напряжению, растрескиванию или расслоению композитных конструкций. Выбирая керамику с соответствующим СТЭ, инженеры могут минимизировать такие риски и повысить надежность и долговечность изделий.

Преимущества использования усовершенствованной керамики с низким тепловым расширением：

Керамика с низким КТЭ, такая как нитрид кремния (Si₃N₄), карбид кремния (SiC) и нитрид алюминия (AlN), демонстрирует минимальное расширение или сжатие при изменении температуры. Это обеспечивает:

  • Постоянная точность размеров в высокоточных приложениях (например, в оптике, полупроводниках).
  • Предотвращение коробления, деформации или смещения во время циклов нагрева и охлаждения.

Более низкий коэффициент расширения снижает внутреннее напряжение при резких перепадах температуры, сводя к минимуму риск термического растрескивания. Это делает такие материалы, как Si₃N₄ и SiC, идеальными для:

  • Теплообменники
  • Форсунки горелки
  • Аэрокосмические компоненты
  • Запчасти для автомобильных двигателей

При склеивании керамики с металлами или другими субстратами термическое несоответствие является основной причиной разрушения соединения. Керамика с низким коэффициентом теплопроводности:

  • Снижение межфазного напряжения при пайке металлокерамики.
  • Повышение долговременной герметичности и надежности электронных корпусов и проходных отверстий.
  • Позволяют лучше согласовывать CTE с полупроводниками (например, GaN, Si) в электронике.

В телескопах, лазерных системах и метрологическом оборудовании даже микронное расширение может исказить оптические траектории. Керамика с низким коэффициентом теплопроводности:

  • Сохранение оптической центровки в разных температурных диапазонах.
  • Широко используются для изготовления зеркал, креплений линз и опорных конструкций в космической и оборонной оптике (например, SiC в космических телескопах).

Снижая термическую усталость и распространение микротрещин, керамика с низким коэффициентом теплопроводности продлевает срок службы компонентов:

  • Мощные электронные модули
  • Высокоскоростные подшипники
  • Высокотемпературные реакторы

В сверхвысоком вакууме или химически инертных системах, где тепловые напряжения не могут быть сняты путем диффузии или релаксации, на помощь приходит керамика с низким коэффициентом теплопроводности:

  • Предотвращение разрушения конструкции.
  • Поддерживать жесткие допуски в вакуумных камерах, рентгеновских трубках и ионно-лучевых системах.

Данные по СТЭ основных перспективных керамических материалов

Керамический материал (×10-⁶/K) при 20-300 °C Характеристики
Карбид кремния (SiC) 2.3 Исключительная твердость, отличная коррозионная и износостойкость, высокая теплопроводность
Нитрид кремния (Si₃N₄) ~3.7 Высокая вязкость разрушения, устойчивость к тепловому удару, низкая плотность
Нитрид алюминия (AlN) 4.2~5.6 Высокая теплопроводность, электроизоляция, низкие диэлектрические потери
Оксид бериллия (BeO) ~6 Очень высокая теплопроводность, электроизоляция, токсичен в порошкообразном состоянии
Нитрид бора (h-BN) ~7.2 Смазка, термостабильность, электроизоляция
Глинозем (Al₂O₃) 7.2~7.5 Высокая твердость, хорошая износостойкость, отличная электроизоляция
Обрабатываемая стеклокерамика (MGC) 9.3 Легко поддается обработке, хорошая диэлектрическая прочность, низкая теплопроводность
Цирконий (ZrO₂) ~10 Высокая прочность, низкая теплопроводность, упрочнение за счет фазовых превращений

*Данные приведены только для справки.

Нужна помощь в выборе подходящей керамики?

Выбор правильного керамического материала с коэффициентом расширения имеет решающее значение для обеспечения долгосрочной надежности и оптимальной производительности. Независимо от того, нужны ли вам керамические материалы из нитрида алюминия, нитрида кремния или карбида кремния, наши материалы обеспечивают лучшие в отрасли характеристики, долговечность и точность.

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 показаны коэффициенты теплового расширения различных инженерных материалов - от сверхтвердой керамики до обычных промышленных пластмасс, расположенные в порядке от высокого к низкому.

Керамика
Металл
Пластик

*Данные приведены только для справки.

Области применения, основанные на коэффициенте теплового расширения керамики

  • Вызов:

    При фотолитографии и обработке пластин даже тепловое расширение на микронном уровне может привести к смещению или поломке оборудования. Металлические детали имеют тенденцию значительно расширяться при нагревании.

  • Решение:

    • Нитрид кремния (Si₃N₄) и нитрид алюминия (AlN) используются в качестве структурных или монтажных компонентов благодаря низкому CTE (3,2-4,5 ×10-⁶/°C), обеспечивающему стабильность размеров при быстром термоциклировании.
    • Эти материалы также обладают превосходной устойчивостью к тепловым ударам и электроизоляцией, что еще больше повышает их пригодность для использования в полупроводниковых средах.

  • Вызов:

    Для пайки керамики к металлам (например, ковару, молибдену) требуются материалы с одинаковыми или совместимыми значениями СТЭ, чтобы избежать растрескивания шва при изменении температуры.

  • Решение:

    • Глинозем (Al₂O₃) с КТЭ ~7,1 близко соответствует КТЭ ковара (~6,5), что делает его стандартным материалом для герметичных проходных отверстий, корпусов датчиков и электронных упаковок.
    • Для повышения прочности или жесткости можно использовать диоксид циркония (ZrO₂), но со специальными припойными сплавами или прослойками, чтобы учесть его более высокое расширение (~10,5).

  • Вызов:

    Светодиоды высокой яркости выделяют значительное количество тепла, поэтому подложка должна эффективно отводить тепло, сохраняя при этом механическую целостность.

  • Решение:

    • Нитрид алюминия (AlN) обладает высокой теплопроводностью (~170 Вт/м-К) и умеренным CTE (~4,5), что делает его идеальным материалом для подложек.
    • Его тепловое расширение совместимо с GaN и другими полупроводниками, что сводит к минимуму разрушение, вызванное тепловым несоответствием.

  • Вызов:

    В спутниках и космических телескопах оптические компоненты испытывают экстремальные тепловые градиенты, которые могут привести к деформации и потере фокуса.

  • Решение:

    • Карбид кремния (SiC) выбран для изготовления зеркальных структур благодаря низкому CTE (~4,0), высокой жесткости и небольшому весу.
    • NASA и ESA использовали зеркала SiC в таких миссиях, как Gaia и космическая обсерватория Herschel.

  • Вызов:

    При изготовлении прототипов инструментов и метрологических приспособлений тепловое расширение может влиять на точность размеров.

  • Решение:

    • MGC (Machinable Glass Ceramic), такие как композиты на основе фторфлогопита, обладают умеренным CTE (~9,0), близким к некоторым металлам и видам стекла.
    • Эти материалы используются там, где требуется индивидуальная формовка, быстрая доставка и умеренные тепловые характеристики.

Важные материалы для теплового расширения

Керамика из нитрида алюминия с высокой теплопроводностью

AlN-керамика

КТЭ : 4,2-5,6(×10-⁶/К)

Керамика из нитрида кремния с низким коэффициентом теплового расширения

Керамика из нитрида кремния

CTE : ~3.7(×10-⁶/K)

Алюмооксидная керамика - Керамика с коэффициентом теплового расширения

Глиноземистая керамика

КТЭ : 7,2-7,5(×10-⁶/К)

Обрабатываемая керамика - Керамика с коэффициентом теплового расширения

MGC

CTE : 9.3(×10-⁶/K)

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Керамика связана ионно/ковалентно в жестких решетчатых структурах; эта связь противостоит расширению атомов.

Нитрид алюминия (AlN), имеющий CTE ~4-5×10-⁶/K, близко соответствует кремнию (~2,6), что позволяет снизить тепловое напряжение при производстве полупроводников.

Да, если выбраны подходящие CTE (например, диоксид циркония ~10 и титановый сплав ~8,6), напряжение сводится к минимуму. В противном случае необходимо использовать такие методы соединения, как пайка или эластичные клеи.

Yes-Macor (~9.3) обеспечивает воспроизводимость характеристик до ~1000 °C и используется в лабораторном оборудовании, где происходит термоциклирование.

Теплопроводность керамики из карбида кремния

Прочность на изгиб