什么是先进陶瓷的热膨胀系数？

热膨胀系数 (CTE) 是先进陶瓷设计和应用中最关键的参数之一。它决定了材料随温度变化的膨胀或收缩程度，在多材料组件、高温环境和精密系统中起着决定性的作用。先进陶瓷以其优异的尺寸稳定性和较低的 CTE 值而闻名，广泛应用于各行各业，以满足严苛的热性能要求。

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热膨胀系数

为什么热膨胀系数很重要

不同材料之间的热膨胀不匹配会导致复合结构出现热应力、开裂或分层。通过选择具有合适热膨胀系数的陶瓷，工程师可以最大限度地降低此类风险，并提高产品的可靠性和使用寿命。

使用低热膨胀先进陶瓷的好处：

低热膨胀系数 (CTE) 陶瓷，例如氮化硅 (Si₃N₄)、碳化硅 (SiC) 和氮化铝 (AlN)，在温度变化时几乎不会膨胀或收缩。这确保了：

  • 在高精度应用（例如光学、半导体）中保持一致的尺寸精度。
  • 防止加热和冷却循环过程中发生翘曲、变形或错位。

较低的膨胀系数可降低快速温度波动期间的内部应力，从而最大程度地降低热裂风险。这使得 Si₃N₄ 和 SiC 等材料成为以下应用的理想选择：

  • 热交换器
  • 燃烧器喷嘴
  • 航空航天部件
  • 汽车发动机零件

将陶瓷与金属或其他基材粘合时，热失配是导致接头失效的主要原因。低热膨胀系数陶瓷：

  • 降低金属陶瓷钎焊中的界面应力。
  • 提高电子封装和馈通的长期密封性和可靠性。
  • 允许与电子产品中的半导体（例如 GaN、Si）实现更好的 CTE 匹配。

在望远镜、激光系统和计量设备中，即使是微米级的膨胀也可能导致光路扭曲。低热膨胀系数陶瓷：

  • 在整个温度范围内保持光学对准。
  • 广泛用于空间和防御光学中的镜子、镜头支架和支撑结构（例如，太空望远镜中的 SiC）。

通过减少热疲劳和微裂纹扩展，低 CTE 陶瓷可延长以下部件的使用寿命：

  • 大功率电子模块
  • 高速轴承
  • 高温反应堆

在超高真空或化学惰性系统中，热应力无法通过扩散或松弛来缓解，低 CTE 陶瓷有助于：

  • 防止结构故障。
  • 保持真空室、X 射线管和离子束系统的严格公差。

主要先进陶瓷的热膨胀系数数据

陶瓷材料 （×10⁻⁶/K）在20–300°C时 特征
碳化硅（SiC） 2.3 极其坚硬，具有优异的耐腐蚀和耐磨性，高导热性
氮化硅（Si₃N₄） ~3.7 高断裂韧性、抗热震性、低密度
氮化铝（AlN） 4.2~5.6 高导热性、电绝缘性、低介电损耗
氧化铍（BeO） ~6 导热性极高，电绝缘，粉末状时有毒
氮化硼（h-BN） ~7.2 润滑、热稳定、电绝缘
氧化铝（Al₂O₃） 7.2~7.5 硬度高、耐磨性好、电绝缘性优良
可加工玻璃陶瓷（MGC） 9.3 易于加工、介电强度好、热导率低
氧化锆（ZrO₂） ~10 高韧性、低热导率、相变增韧

*数据仅供参考。

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比较：陶瓷与金属和塑料

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

Ceramic
Metal
Plastic

*数据仅供参考。

基于陶瓷热膨胀系数的应用

  • 挑战：

    在光刻和晶圆加工过程中，即使是微米级的热膨胀也可能导致错位或设备故障。金属部件往往会在受热时发生显著膨胀。

  • 解决方案：

    • 氮化硅 (Si₃N₄) 和氮化铝 (AlN) 因其低 CTE (3.2–4.5 ×10⁻⁶/°C) 而被用作结构或安装部件，确保快速热循环期间的尺寸稳定性。
    • 这些材料还具有出色的抗热冲击性和电绝缘性，进一步增强了其在半导体环境中的适用性。

  • 挑战：

    将陶瓷钎焊到金属（例如，可伐合金、钼）上需要具有匹配或兼容的 CTE 的材料，以避免在温度变化期间接头开裂。

  • 解决方案：

    • 氧化铝 (Al₂O₃) 的热膨胀系数 (CTE) 约为 7.1，与可伐合金 (CTE) 约为 6.5 非常接近，使其成为密封馈通、传感器外壳和电子封装的标准材料。
    • 为了获得更高的强度或韧性，可以使用氧化锆 (ZrO₂)，但要使用专门的钎焊合金或中间层来适应其更高的膨胀率 (~10.5)。

  • 挑战：

    高亮度 LED 会产生大量热量，基板必须有效导热，同时保持机械完整性。

  • 解决方案：

    • 氮化铝 (AlN) 具有高热导率 (~170 W/m·K) 和中等 CTE (~4.5)，使其成为理想的基板材料。
    • 其热膨胀与 GaN 和其他半导体兼容，最大限度地减少了热失配引起的故障。

    • 挑战：

      在卫星和太空望远镜中，光学元件会经历极端的热梯度，这会导致变形和失焦。

  • 解决方案：

    • 碳化硅 (SiC) 因其低 CTE (~4.0)、高刚度和轻重量而被选为镜面结构。
    • 美国国家航空航天局 (NASA) 和欧洲航天局 (ESA) 在盖亚和赫歇尔空间天文台等任务中采用了碳化硅镜子。

  • 挑战：

    在原型工具和计量装置中，热膨胀会影响尺寸精度。

  • 解决方案：

    • MGC（可加工玻璃陶瓷）例如基于氟金云母的复合材料具有中等的 CTE（~9.0），接近某些金属和玻璃类型。
    • 这些材料用于需要定制成型、快速交付和中等热性能的场合。

热膨胀的重要材料

氮化硅陶瓷-先进陶瓷材料-致好陶瓷

氮化硅陶瓷

碳化硅陶瓷-先进陶瓷材料-致好陶瓷

碳化硅陶瓷

氧化铝陶瓷-先进陶瓷材料-致好陶瓷

氧化铝陶瓷

氧化锆陶瓷-先进陶瓷材料-致好陶瓷

氧化锆陶瓷

常见问题 (FAQ)

陶瓷在刚性晶格结构内以离子/共价方式结合；这种结合可抵抗原子膨胀。

氮化铝 (AlN) 的 CTE 约为 4–5×10⁻⁶/K，与硅 (~2.6) 非常接近，可降低半导体制造中的热应力。

可以——如果选择匹配的CTE（例如，氧化锆约10，钛合金约8.6），应力可以最小化。否则，需要采用钎焊或柔性粘合剂等粘合方法。

可靠——Macor（~9.3）提供高达~1000°C 的可重复性能，并用于发生热循环的实验室设备。