การนำความร้อนของเซรามิกขั้นสูง

การนำความร้อน (k, หน่วย: W/m·K) วัดความสามารถของวัสดุในการนำความร้อน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญสำหรับอิเล็กทรอนิกส์ อวกาศ พลังงาน และการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ ในบทความนี้ เราจะสำรวจการเปรียบเทียบระหว่างเซรามิกขั้นสูงกับโลหะและพลาสติก ความสำคัญ และขอบเขตการใช้งานของพวกมัน

การนำความร้อน

ทำไมการนำความร้อนจึงมีความสำคัญมากในเซรามิก?

เซรามิกถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการจัดการความร้อนเนื่องจากมีคุณสมบัติการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษและคุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ต่างจากโลหะซึ่งสามารถนำความร้อนและไฟฟ้าได้ เซรามิกขั้นสูงเช่น อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN), เบอริลเลียมออกไซด์ (BeO) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) สามารถถ่ายเทพลังงานความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ขัดขวางการไหลของกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำให้พวกมันเหมาะสำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ไฟฟ้า และแอปพลิเคชันที่ต้องการอุณหภูมิสูง ซึ่งการแยกไฟฟ้าและการระบายความร้อนที่เชื่อถือได้เป็นสิ่งสำคัญที่สุด

นอกจากนี้ เซรามิกยังมีข้อได้เปรียบดังต่อไปนี้:

  • ความเสถียรทางความร้อนสูงที่อุณหภูมิสูง
  • ความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง
  • ความแข็งแรงเชิงกลและความทนทานภายใต้การเปลี่ยนอุณหภูมิ

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เซรามิกสามารถทำหน้าที่เป็นตัวระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพ, วัสดุรองรับ, และตัวระบายความร้อนแบบฉนวนในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อิเล็กทรอนิกส์, อวกาศ, ยานยนต์ และพลังงาน

วิธีการกำหนดทิศทางการใช้งานของวัสดุ?

  • เซรามิกขั้นสูงที่มีค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนสูงเหมาะสำหรับส่วนประกอบหลักในระบบจัดการความร้อน เช่น การบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ระบบควบคุมความร้อนในอวกาศ และฮีตซิงค์ของเซมิคอนดักเตอร์
  • การผสมผสานการนำความร้อนในระดับปานกลางกับความแข็งแรงสูง วัสดุนี้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีความร้อนสูงและมีการเคลื่อนไหว เช่น ตลับลูกปืนและหัวฉีดสำหรับงานหนัก
  • วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนต่ำถูกนำมาใช้ในฉนวนและโซนควบคุมอุณหภูมิ เช่น การเคลือบฉนวนกันความร้อนและผนังกั้นฉนวน

ข้อมูลการนำความร้อนสำหรับเซรามิกขั้นสูงหลัก

วัสดุเซรามิก กิโลจูล (วัตต์ต่อเมตรต่อเคลวิน) ลักษณะ
ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO) 230–330 มีคุณสมบัตินำความร้อนสูงมาก เป็นฉนวนไฟฟ้า ทะนุเป็นพิษในรูปผง
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) 170–210 การนำความร้อนสูง, การเป็นฉนวนไฟฟ้า, การสูญเสียไดอิเล็กทริกต่ำ
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) 120–200 แข็งเป็นพิเศษ มีความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม และมีการนำความร้อนสูง
โบรอนไนไตรด์ (h-BN) ~60 การหล่อลื่น, ความเสถียรทางความร้อน, การเป็นฉนวนไฟฟ้า
อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) 25–35 ความแข็งสูง, ความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม, และคุณสมบัติการฉนวนไฟฟ้าที่เหนือชั้น
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄) 20–30 ความเหนียวต่อการแตกหักสูง, ทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน, ความหนาแน่นต่ำ
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂) 2–3 ความเหนียวสูง, ความนำความร้อนต่ำ, การเพิ่มความเหนียวจากการเปลี่ยนเฟส
เซรามิกแก้วที่สามารถตัดได้ (MGC) ~2 ง่ายต่อการขึ้นรูป, ความแข็งแรงทางไฟฟ้าสูง, ความนำความร้อนต่ำ

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกเซรามิกที่เหมาะสมหรือไม่?

การเลือกวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ไม่ว่าคุณจะต้องการเซรามิกที่มีฐานเป็นเซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ หรืออะลูมินา วัสดุของเรามอบความแข็งแรง ความทนทาน และความแม่นยำที่เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม

ทีมเทคนิคของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณ – กรุณาติดต่อเราทันที และเราจะให้คำแนะนำที่มืออาชีพและปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะของคุณ

การเปรียบเทียบ: เซรามิกกับโลหะและพลาสติก

แผนภูมิแท่งด้านล่างแสดงค่าการนำความร้อนของวัสดุทางวิศวกรรมต่าง ๆ ตั้งแต่เซรามิกที่มีความแข็งสูงมากไปจนถึงพลาสติกอุตสาหกรรมทั่วไป โดยเรียงลำดับจากค่าสูงสุดไปต่ำสุด

เซรามิก
โลหะ
พลาสติก

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

แอปพลิเคชันที่ใช้การนำความร้อนของเซรามิก

  • เซรามิกประยุกต์:

    • อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)
    • ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO)
    • ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
  • กรณีการใช้งาน:

    • แผ่นรองฉนวนรับแรงความร้อนสูง: เซรามิก Si₃N₄ มีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม (ประมาณ 20–30 W/m·K) ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อแรงกระแทกได้ดี เมื่อใช้ในแกนหมุนความเร็วสูง สามารถกระจายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อป้องกันการเกิดความร้อนสูงเกินไป
    • ฝาปิดท้ายของฮีตซิงค์มอเตอร์: อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN) มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูง (ประมาณ 170–220 W/m·K) มักถูกนำมาใช้ในตัวเรือนมอเตอร์ประสิทธิภาพสูงเพื่อทดแทนโลหะแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยลดน้ำหนักและแรงเครียดจากความร้อน
    • ฐานแลกเปลี่ยนความร้อนสำหรับอุปกรณ์กำลังสูง: สำหรับการระบายความร้อนของโมดูลกำลังในเครื่องจักร CNC
  • เซรามิกประยุกต์:

    • อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)
    • ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO)
    • อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)
  • กรณีการใช้งาน:

    • แผ่นฐานระบายความร้อนสำหรับโมดูลสื่อสารความถี่สูง (AlN/BeO): มีค่าการนำความร้อนสูง (BeO > 250 W/m·K) ช่วยให้ชิปไมโครเวฟอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัย มักใช้ในโมดูล 5G และเรดาร์
    • แผ่นฐานซับในสำหรับฮีตซิงค์บรรจุภัณฑ์ LED: เซรามิก AlN มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูงและคุณสมบัติการเป็นฉนวนที่ยอดเยี่ยม ทำให้เป็นวัสดุหลักสำหรับการบรรจุภัณฑ์ LED กำลังสูง
    • แผ่นรองรับบรรจุภัณฑ์ IGBT/เซมิคอนดักเตอร์กำลัง: แผ่นรองรับ AlN ช่วยลดการเกิดความร้อนสูงเฉพาะจุดของชิปได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ยืดอายุการใช้งานของชิปได้ยาวนานขึ้น
  • เซรามิกประยุกต์:

    • อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)
    • ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
    • เซรามิกออกไซด์อะลูมิเนียม
  • กรณีการใช้งาน:

    • ตัวเว้นระยะเซรามิกสำหรับการจัดการความร้อนสำหรับแบตเตอรี่พลังงาน: เซรามิก AlN ที่ใช้เป็นตัวเว้นระยะในโมดูลแบตเตอรี่ช่วยในการนำความร้อนอย่างรวดเร็ว ป้องกันการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม
    • แผ่นฐานโมดูลพลังงานสำหรับระบบควบคุมอิเล็กทรอนิกส์: แผ่นฐานระบายความร้อนสำหรับโมดูล SiC MOSFET ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการระบายความร้อนของระบบ
    • ตลับลูกปืนเซรามิกสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า: Si₃N₄ มีคุณสมบัติการนำความร้อนและการเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในตลับลูกปืนมอเตอร์เพื่อลดการใช้พลังงานและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ
  • เซรามิกประยุกต์:

    • ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
    • อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)
    • ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO)
  • กรณีการใช้งาน:

    • ส่วนประกอบเซรามิกสำหรับฉนวนกันความร้อน/การถ่ายเทความร้อนในระบบขับเคลื่อนจรวด: เช่น ซับในหัวฉีดและท่อความเร็วสูง ซึ่ง Si₃N₄ มอบคุณสมบัติที่ผสมผสานกันของความทนทานต่อความร้อน การนำความร้อน และความทนทานต่อแรงกระแทก
    • ฮีตซิงค์สำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ดาวเทียม: ใช้ BeO หรือ AlN เพื่อการระบายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้อุณหภูมิการทำงานคงที่สำหรับโมดูลอิเล็กทรอนิกส์ในอวกาศ
    • การจัดการความร้อนของอิเล็กทรอนิกส์อากาศยานความเร็วสูง: การใช้เซรามิก AlN เพื่อการระบายความร้อนของส่วนประกอบกำลังภายในระบบควบคุมการบินเพื่อเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบ
  • เซรามิกประยุกต์:

    • ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
    • ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
    • เซรามิกออกไซด์อะลูมิเนียม
  • กรณีการใช้งาน:

    • ปลอกหุ้มป้องกันหัววัดอุณหภูมิสำหรับการหลอมเหล็ก (Si₃N₄, SiC): ให้การนำความร้อนและความต้านทานการกัดกร่อนทางเคมีที่ยอดเยี่ยม ช่วยให้การส่งสัญญาณอุณหภูมิเป็นไปอย่างรวดเร็ว และยืดอายุการใช้งาน
    • เบ้าหลอม/หัวฉีดอลูมิเนียม: การใช้เซรามิกส์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง (เช่น SiC) ช่วยให้เกิดความร้อนอย่างสม่ำเสมอ ป้องกันการเกิดความร้อนสูงเฉพาะจุด
    • ปลอกป้องกันเทอร์โมคัปเปิล: ผลิตจากเคสเซรามิกที่มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูง ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้อย่างรวดเร็ว ช่วยให้ควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการหลอม

เซรามิกส์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง

เซรามิกฉนวนความร้อนที่เกี่ยวข้อง

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ออกไซด์ของเบอริลเลียม (BeO) แสดงค่าการนำความร้อนที่เหนือกว่าเซรามิกออกไซด์ โดยมีค่าประมาณ 285 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน ซึ่งใกล้เคียงกับทองแดงในขณะที่ยังคงคุณสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า

พวกมันมีคุณสมบัติการนำความร้อนและการเป็นฉนวนไฟฟ้าสูง—ทำให้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการระบายความร้อนในแผงวงจรพิมพ์ (PCBs), หลอดไฟ LED และเซมิคอนดักเตอร์กำลังไฟฟ้า

การนำความร้อนของโลหะ เช่น ทองแดง มีค่าสูงกว่าเซรามิก (~400 W/m·K เทียบกับ ~285 W/m·K) แต่เซรามิกมีความต้านทานการกัดกร่อน น้ำหนักเบา และไม่เป็นตัวนำไฟฟ้า

พื้นที่มุ่งเน้นหลัก ได้แก่ แผ่นลามิเนต h-BN แบบ 2 มิติ, ซิลิคอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยว (>490 วัตต์/เมตร·เคลวิน) และวัสดุผสมที่ปรับแต่งสำหรับการจับคู่การขยายตัวทางความร้อนและการนำไฟฟ้าสูง (เช่น AlSiC)