先进陶瓷的热导率

热导率（k，单位：W/m·K）衡量材料的导热能力——这是电子、航空航天、能源和工业应用的关键特性。在本文中，我们将探讨先进陶瓷与金属和塑料的比较，它们的重要性以及它们的应用领域。

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陶瓷热导率为何如此重要

陶瓷因其独特的高导热性和优异的电绝缘性而被广泛用于热管理。与同时导热和导电的金属不同，氮化铝 (AlN)、氧化铍 (BeO) 和碳化硅 (SiC) 等先进陶瓷能够高效传热，同时阻止电流流动。这使得它们成为电子元件、功率器件以及高温应用的理想选择，因为这些应用对电气隔离和可靠的散热至关重要。

此外，陶瓷还具有以下优点：

高温下具有高热稳定性
恶劣环境下耐腐蚀
热循环下的机械强度和耐久性

这些特性使陶瓷能够作为电子、航空航天、汽车和能源等行业的有效散热器、基板和绝缘散热器。

如何确定材料的应用方向？

高导热系数的先进陶瓷适用于热管理的核心部件，如电子封装、航空航天热控、半导体散热板等。
中等热导率与高强度材料相结合，适用于动态高温部件，例如高负荷机械轴承和喷嘴。
低导热系数材料用于绝缘和温度控制区域，例如热障涂层和绝缘隔板。

主要先进陶瓷的热导率数据

Ceramic materials	千焦（瓦/米·开尔文）	hallmark
Beryllium oxide (BeO)	230–330	Very high thermal conductivity, electrically insulating, toxic in powder form
Aluminum Nitride (AlN)	170–210	High thermal conductivity, electrical insulation, low dielectric loss
Silicon Carbide (SiC)	120–200	Extremely hard, excellent corrosion and wear resistance, high thermal conductivity
Boron nitride (h-BN)	~60	Lubricating, thermally stable, electrically insulating
Aluminum oxide (Al₂O₃)	25–35	High hardness, good abrasion resistance, excellent electrical insulation properties
Silicon Nitride (Si₃N₄)	20–30	High fracture toughness, thermal shock resistance, low density
Zirconium oxide (ZrO₂)	2–3	High toughness, low thermal conductivity, phase change toughening
Machinable Glass Ceramics (MGC)	~2	Easy processing, good dielectric strength, low thermal conductivity

*Data is for reference only.

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Comparison: Ceramics vs. metals and plastics

下面的条形图显示了各种工程材料的热导率——从超硬陶瓷到常见的工业塑料，按高到低排序。

Ceramic

Metal

Plastic

*Data is for reference only.

基于陶瓷热导率的应用

机械设备领域

应用陶瓷：
- Aluminum Nitride (AlN)
- Beryllium oxide (BeO)
- Silicon Nitride (Si₃N₄)
应用案例：
- 高热负荷轴承绝缘垫片：Si₃N₄陶瓷具有良好的热导率（约20-30 W/m·K）、耐高温、抗冲击，用于高速主轴可有效传导热量，避免过热。
- 电机散热端盖：AlN具有较高的热导率（约170-220 W/m·K），常用于高效电机外壳，替代传统金属，以减轻重量和热应力。
- 大功率设备热交换基座：用于数控机床功率模块冷却。

电子行业

应用陶瓷：
- Aluminum Nitride (AlN)
- Beryllium oxide (BeO)
- Aluminum oxide (Al₂O₃)
应用案例：
- 高频通讯模块散热基板（AlN/BeO）：高热导率（BeO>250 W/m·K），确保微波芯片的温度控制在安全范围内，常用于5G、雷达模块。
- LED封装散热基体：AlN陶瓷具有较高的热导率和良好的绝缘性，是大功率LED封装的主流材料。
- IGBT/功率半导体封装基板：AlN基板有效抑制芯片局部过热，提高寿命。

新能源汽车领域

应用陶瓷：
- Aluminum Nitride (AlN)
- Silicon Nitride (Si₃N₄)
- Aluminum oxide ceramics
应用案例：
- 动力电池热管理陶瓷垫片：AlN陶瓷用于电池模组垫片，快速传导热量，防止热失控。
- 电控系统功率模块基板：用于SiC MOSFET模块的散热基底，提高系统冷却效率。
- 电传动系统陶瓷轴承：Si₃N₄具有良好的导热性和电绝缘性能，广泛应用于电机轴承，降低能耗和温升。

航空航天领域

应用陶瓷：
- Silicon Nitride (Si₃N₄)
- Aluminum Nitride (AlN)
- Beryllium oxide (BeO)
应用案例：
- 火箭推进系统的隔热/导热陶瓷部件：如喷嘴衬套、高速气管等，Si₃N₄兼具耐热性、导热性和抗冲击性。
- 卫星电子元件散热基座：采用BeO或AlN进行高效散热，保证航天电子模块稳定工作温度。
- 高速飞机电子设备的热控制：采用AlN陶瓷对飞行控制系统中的功率元件进行散热，提高系统可靠性。

冶金/冶炼领域

应用陶瓷：
- Silicon Nitride (Si₃N₄)
- Silicon Carbide (SiC)
- Aluminum oxide ceramics
应用案例：
- 钢熔温度探头保护套（Si₃N₄、SiC）：具有良好的导热性和耐化学腐蚀性，能快速传递温度信号，延长使用寿命。
- 铝熔热坩埚/喷嘴：采用高导热陶瓷（如SiC）可均匀加热，避免局部过热。
- 热电偶保护套：高导热陶瓷外壳，对温度变化响应迅速，确保冶炼控温的准确性。