As 10 melhores cerâmicas de alta condutividade térmica – qual é a melhor para a sua indústria?

Trabalhando em setores como eletrônica, semicondutores ou aeroespacial, você provavelmente entende como a eficiência do gerenciamento térmico dos equipamentos pode afetar o desempenho dos seus produtos. Encontrar o material cerâmico certo pode reduzir drasticamente as taxas de falha dos equipamentos e prolongar sua vida útil. Este artigo apresentará dez cerâmicas com alta condutividade térmica e fornecerá referências para sua escolha.

10 Materiais Cerâmicos de Alta Condutividade Térmica

Diamante policristalino (PCD)

Condutividade térmica: 1642–2000 W/m·K

Propriedades: O PCD é um dos melhores condutores térmicos. Seu desempenho depende do método de preparação utilizado e do nível de impurezas.

Aplicações: O PCD pode ser usado em locais onde é necessária uma dissipação de calor altamente eficaz. Devido à sua excelente condutividade térmica e resistência ao desgaste, ele é atualmente utilizado na indústria moderna como componente de alto desgaste e ferramenta de corte. Suas propriedades de alta temperatura e alta condutividade são aproveitadas na fabricação de componentes que operam em altas temperaturas ou exigem alta condutividade. A excelente capacidade de dissipação de calor do PCD o torna uma solução promissora para o resfriamento de dispositivos eletrônicos e instrumentos de precisão.

Óxido de berílio (BeO)

Condutividade térmica: 260–300 W/m·K

Propriedades: A condutividade térmica do BeO é 10 vezes maior que a da cerâmica de alumina. Ele também possui excelentes propriedades de isolamento e boa resistência ao choque térmico.

Aplicações: Graças à sua alta condutividade térmica e boas propriedades de isolamento, o BeO pode ser utilizado em encapsulamento de dispositivos de potência como substrato de alta condutividade na indústria eletrônica. Na indústria aeroespacial, sua resistência ao choque térmico pode ser aproveitada em componentes de sistemas de comunicação de aeronaves e satélites. Outras aplicações incluem energia nuclear, revestimentos de dispositivos de ignição automotiva e na indústria de lasers para a produção de lasers de alta eficiência.

O pó de BeO é altamente tóxico e sua condutividade térmica diminui consideravelmente com o aumento da temperatura. Consequentemente, as aplicações do BeO são bastante limitadas. É necessário um controle rigoroso sobre os processos de utilização.

Nitreto de alumínio (AlN)

Condutividade térmica: 170–320 W/m·K

Propriedades: Alta condutividade térmica e excelente isolamento. O coeficiente de expansão térmica é compatível com o do silício.

Aplicações: As principais aplicações do AlN são em embalagens eletrônicas e de semicondutores, incluindo, entre outras, substratos de dissipação de calor para módulos de alta potência e suportes eletrostáticos. Na indústria aeroespacial, a resistência do metal a altas temperaturas permite sua aplicação em peças relacionadas ao motor e outros componentes operados em temperaturas elevadas. Ele também é utilizado na indústria automotiva de veículos de nova energia na fabricação de módulos de dissipação de calor. Por ser atóxico e ecologicamente correto, o AlN pode ser usado como carga em materiais de interface térmica, superando o problema de toxicidade do BeO.

Nitreto de boro hexagonal (h-BN)

Condutividade térmica: 185–300 W/m·K

Propriedades: Um material versátil com excelente condutividade térmica. Possui também boa resistência a altas temperaturas, resistência à corrosão química e isolamento.

Aplicações: O h-BN é amplamente utilizado em indústrias que envolvem temperaturas muito elevadas e na metalurgia. A extrema condutividade térmica e as propriedades isolantes do h-BN o tornam adequado para uso em substratos de dissipação de calor e materiais isolantes de alta frequência nas indústrias eletrônica e de semicondutores. A alta resistência à temperatura é utilizada na produção de lubrificantes de alta temperatura e materiais de proteção térmica na indústria aeroespacial. Na indústria química, é utilizado na fabricação de equipamentos resistentes à corrosão.

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Carbeto de silício (SiC)

Condutividade térmica: 90–270 W/m·K

Propriedades: O carboneto de silício mantém um bom desempenho na dissipação de calor em altas temperaturas. A condutividade térmica diminui com o aumento da temperatura. É muito duro e resistente ao desgaste.

Aplicações: O SiC é o melhor material para equilibrar a estabilidade em altas temperaturas e a eficiência na dissipação de calor. É utilizado na fabricação de semicondutores e no setor fotovoltaico para a produção de componentes de máquinas de fotolitografia, peças para processamento de wafers e bandejas epitaxiais devido à sua excelente estabilidade em altas temperaturas e resistência à abrasão. Em indústrias de alta temperatura, serve como revestimento de fornos, enquanto nos setores químico e metalúrgico, o SiC é utilizado para fabricar peças resistentes à corrosão, componentes resistentes ao desgaste e outros materiais. trocadores de calor. Além disso, pode ser aplicado no setor militar para o aprimoramento de sistemas de proteção e melhoria da qualidade de blindagens à prova de balas. Também pode ser utilizado na fabricação de substratos de dissipação de calor em novas energias e eletrônica de potência.

Caixa: Cerâmica de carboneto de silício Crisóis

O cadinho de carbeto de silício é usado para fundir metais como alumínio, cobre e zinco. Possui excelente condutividade térmica, permitindo uma grande redução no tempo de fusão. Isso economiza energia e também melhora a eficiência. Comparado ao cadinho de alumina, a condutividade térmica do cadinho de carbeto de silício é de 3 a 5 vezes maior, garantindo uma transferência de calor mais rápida e homogênea.

Nitreto de silício (Si₃N₄)

Condutividade térmica: 85–177 W/m·K

Propriedades: Alta condutividade térmica com excelente resistência ao choque térmico. Possui alta resistência mecânica com tenacidade à fratura superior em comparação com cerâmicas convencionais.

Aplicações: O nitreto de silício é utilizado devido às suas excelentes propriedades mecânicas e à sua capacidade de dissipação de calor. Na área de máquinas, é empregado na produção de mancais cerâmicos, ferramentas de corte e componentes industriais devido à sua alta resistência e durabilidade. Na indústria de semicondutores, o Si₃N₄ O nitreto de silício é utilizado na fabricação de substratos e componentes de processos devido à sua condutividade térmica e estabilidade. Por sua biocompatibilidade, também é empregado no setor biocerâmico para a produção de implantes médicos.

Invólucro: Substrato cerâmico de nitreto de silício

Substratos cerâmicos de nitreto de silício são utilizados para dissipação de calor em chips de LED de alta potência. O baixo coeficiente de expansão térmica do nitreto de silício é compatível com o dos materiais de silício dos chips, prolongando assim a vida útil do dispositivo. A substituição da alumina tradicional por substratos de nitreto de silício aumenta significativamente a eficiência da dissipação de calor em mais de 3 vezes. O nitreto de silício também suporta ciclos térmicos de alta frequência.

Diboreto de titânio (TiB₂)

Condutividade térmica: 50–100 W/m·K

Propriedades: Alta dureza, alto ponto de fusão e condutividade elétrica.

Aplicações: TiB₂ Possui excelente condutividade elétrica e resistência ao desgaste. Sua principal aplicação é como revestimento catódico na indústria de eletrólise de alumínio. Encontra aplicações em revestimento a vácuo devido à sua condutividade elétrica e resistência a altas temperaturas, sendo utilizado para fornecer recipientes de evaporação condutivos. Também é empregado na produção de componentes resistentes ao desgaste e à corrosão. O diboreto de titânio tem grande potencial em aplicações que exigem tanto condutividade elétrica quanto dissipação de calor, como em equipamentos eletrolíticos.

Óxido de magnésio (MgO)

Condutividade térmica: 30–60 W/m·K

Propriedades: Altamente isolante, com alto ponto de fusão e alta estabilidade química.

Aplicações: Tradicionalmente, o MgO é utilizado como material auxiliar em diversas indústrias, como a siderúrgica, a metalúrgica e a de borracha. Devido às suas propriedades físicas únicas, o óxido de magnésio nanoestruturado possui ampla aplicação em campos emergentes, como novos materiais de esterilização, materiais absorventes de radar para defesa, aditivos e nanocêramicas. O óxido de magnésio é particularmente adequado para situações industriais de temperatura média ou baixa que exigem alto isolamento e boa estabilidade química.

Alumina (Al₂O₃)

Condutividade térmica: 25–37 W/m·K

Propriedades: Quanto maior a pureza, maior a condutividade térmica. Possui baixo custo de produção, processo de preparação consolidado e capacidade de produção em massa.

Aplicações: A cerâmica de alumina é o material cerâmico básico de alta condutividade mais utilizado e econômico. É empregada em componentes de dispositivos semicondutores e peças eletrônicas. Em máquinas industriais, é utilizada principalmente como peça resistente ao desgaste, enquanto em aplicações de alta temperatura, atua como material refratário e isolante. Nos setores químico e metalúrgico, a resistência à corrosão da alumina a torna ideal para a fabricação de equipamentos anticorrosivos.

Caso: Mandris eletrostáticos de alumina

A condutividade térmica da alumina de alta pureza 99,8% é de aproximadamente 30 W/(m·K). Placas de fixação eletrostáticas feitas desse material são empregadas em máquinas de gravação e implantação iônica. Ao manter o wafer no lugar, elas dissipam o calor para manter a estabilidade da temperatura. Nas máquinas de fotolitografia e sistemas de transferência, a condutividade térmica das peças de alumina impede o superaquecimento localizado que pode causar deformação dos wafers.

Zircônia (ZrO₂)

Condutividade térmica: 2,5–3 W/m·K

Propriedades: Condutividade térmica extremamente baixa. Possui alta tenacidade e resistência. Sua principal vantagem é a excelente biocompatibilidade.

Aplicações: A cerâmica de zircônia pode ser usada em aplicações que exigem tanto isolamento térmico quanto resistência estrutural. Em cerâmicas estruturais, a alta resistência e tenacidade são utilizadas na fabricação de meios de moagem, peças mecânicas e ferramentas. Devido à sua excelente biocompatibilidade, a zircônia encontra aplicações nas áreas médica e odontológica para a produção de coroas e implantes dentários.

Caso: Êmbolo de zircônia

Na indústria química, as bombas de pistão de zircônia são muito utilizadas em aplicações de dosagem. A baixa condutividade térmica da zircônia garante que o calor gerado pelo atrito não se dissipe rapidamente no componente, prevenindo o superaquecimento localizado e o travamento. Ao mesmo tempo, sua alta resistência ao desgaste assegura uma longa vida útil.

Como escolher os materiais mais adequados para minha produção industrial?

Devido às diferentes condições dos equipamentos e aos diversos requisitos de desempenho, diferentes indústrias requerem diferentes tipos de cerâmica. Com base em 14 anos de experiência industrial, recomendamos a escolha dos materiais adequados, seguindo estas orientações:

Os materiais mais utilizados são AlN e SiC para as indústrias eletrônicas e de semicondutores. Esses materiais atendem aos exigentes requisitos de alta potência, como os utilizados em módulos IGBT e chips de LED, apresentando alta condutividade térmica, alto isolamento e um coeficiente de expansão térmica compatível com substratos de silício. O nitreto de alumínio previne rachaduras devido à expansão e contração térmica, enquanto o carboneto de silício é utilizado em condições de temperatura extremas, como em máquinas de fotolitografia, garantindo o funcionamento confiável do chip.

No Nova Indústria de Energia, Incluindo, mas não se limitando a, veículos elétricos e energia fotovoltaica, as opções preferenciais são: Si₃N₄ e SiC. A excelente resistência ao choque térmico do nitreto de silício é amplamente aproveitada no manuseio de altas temperaturas e vibrações em aplicações automotivas. O carboneto de silício, com sua alta resistência à temperatura e ao desgaste, pode prolongar a vida útil de equipamentos fotovoltaicos, reduzindo os custos de manutenção.

O foco no indústria aeroespacial está em SiC e Si₃N₄. O carboneto de silício suporta o fluxo de ar em alta temperatura enfrentado por uma aeronave, enquanto a transparência às ondas e a resistência ao choque térmico do nitreto de silício garantem a estabilidade das coberturas de antenas em condições complexas.

Em indústrias de alta temperatura e metalúrgicas, as melhores opções são SiC e MgO. O carboneto de silício suporta temperaturas acima de 1600 °C e resiste à corrosão por metais. O óxido de magnésio é quimicamente estável e não reage com metais líquidos. Além disso, previne fugas de corrente em fornos, garantindo a segurança da produção.

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Referência

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