ความต้านทานต่อความช็อกความร้อนของเซรามิกขั้นสูง

ความต้านทานต่อความร้อนฉับพลันหมายถึงความสามารถของวัสดุในการทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วโดยไม่เกิดการแตกร้าวหรือความล้มเหลว แม้ว่าเซรามิกขั้นสูงจะมีชื่อเสียงในด้านความแข็งและความแข็งแรง แต่ความเปราะและความทนทานต่อการขยายตัวทางความร้อนต่ำทำให้วัสดุเหล่านี้มีความเสี่ยงต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ดังนั้น ความต้านทานต่อความร้อนฉับพลันจึงเป็นเกณฑ์สำคัญในการเลือกเซรามิกสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและความเครียดสูง

ข้ามไปที่

ทำไมความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันจึงมีความสำคัญต่อเซรามิก?

เซรามิกมักทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีลักษณะเด่นคืออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรงและไม่สามารถคาดการณ์ได้:

ซีลกลไกและตลับลูกปืน: การสัมผัสกับน้ำหล่อเย็นอย่างกะทันหันหลังจากการหมุนด้วยความเร็วสูง
หัวฉีดพลาสมาและเลเซอร์: ถูกสัมผัสกับก๊าซร้อนซ้ำแล้วซ้ำเล่าตามด้วยการทำให้เย็นอย่างรวดเร็ว
อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และ LED: การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างการผลิตและการใช้งาน
ชิ้นส่วนยานยนต์และอากาศยาน: การทำความร้อน/ทำความเย็นอย่างรวดเร็วผ่านการเผาไหม้หรือการไหลของก๊าซ

หากปราศจากความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันที่เพียงพอ แม้แต่เซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงก็อาจเกิดความเสียหายอย่างกะทันหันได้ ซึ่งนำไปสู่ความเสียหายต่ออุปกรณ์ อันตรายต่อความปลอดภัย และเพิ่มค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา

ปัจจัยที่มีอิทธิพล

การนำความร้อนสูง → ความชันของอุณหภูมิลดลง
สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ → ลดความเค้นทางความร้อน
ความเหนียวต่อการแตกหักสูง → ความต้านทานต่อการลุกลามของรอยแตก
ความแข็งแรงสูงและความหนาแน่นที่ยอดเยี่ยม → เพิ่มความแตกต่างของอุณหภูมิความช็อกความร้อนที่สำคัญ ΔTc

สรุป: วัสดุที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและมีความนำความร้อนสูง มักจะแสดงความต้านทานต่อความร้อนกระชากได้ดีกว่า

หลักการออกแบบ

หากเป็นไปได้ ให้ใช้เซรามิกที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำและมีความนำความร้อนสูง
ลดการรวมตัวของแรงเครียดภายในเซรามิก (ปรับปรุงการออกแบบโครงสร้างให้เหมาะสม)
หลีกเลี่ยงมุมแหลม ให้ใช้มุมโค้งมน
เพิ่มประสิทธิภาพความหนาของวัสดุและเส้นทางการระบายความร้อน
ติดตั้งส่วนประกอบสำรองหรือชั้นฉนวนในพื้นที่ที่เกิดการกระแทกความร้อนบ่อยครั้ง
หากจำเป็น ให้รวมเทคโนโลยีการเสริมความเหนียวด้วยเซรามิกคอมโพสิต

ข้อมูลความต้านทานต่อความช็อกความร้อนสำหรับเซรามิกขั้นสูงที่สำคัญ

การเลือกเซรามิกขั้นสูงที่เหมาะสมกับสภาวะช็อกความร้อนต้องอาศัยการปรับสมดุลระหว่างความแข็งแรงเชิงกล การขยายตัวจากความร้อน และการนำความร้อน แม้ว่าจะไม่มีวัสดุใดที่ตอบสนองทุกข้อกำหนดได้อย่างสมบูรณ์แบบ แต่การเลือกใช้วัสดุที่ออกแบบเฉพาะสามารถให้ประสิทธิภาพที่เหมาะสมที่สุดภายใต้ความเครียดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบเป็นวัฏจักร

ที่ Great Ceramic เราให้คำแนะนำวัสดุและการกลึงความแม่นยำสำหรับการใช้งานทางความร้อนที่หลากหลายในอุตสาหกรรมต่างๆ ตั้งแต่การบินและอวกาศไปจนถึงเซมิคอนดักเตอร์

วัสดุ	การนำความร้อน(วัตต์ต่อเมตร·เคลวิน)	การขยายตัวทางความร้อน(10⁻⁶/K)	ค่าความทนทานต่อ ΔT ทั่วไป (°C)	ลักษณะ
ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)	20–30	2.8–3.3	500~700	ความเหนียวต่อการแตกหักสูง + ความสามารถในการนำความร้อนระดับปานกลางถึงสูง วัสดุที่เลือกใช้สำหรับทนต่อแรงกระแทกจากความร้อน
ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)	120	4.0–4.5	350~500	การนำความร้อนสูง + ความแข็งแรงสูง, ใช้กันอย่างแพร่หลายในสภาพแวดล้อมความร้อนทางโลหะวิทยาและเคมี
อะลูมิเนียมไนไตรด์ (AlN)	175	4.5–5.3	300~500	เซรามิกส์ที่มีค่าการนำความร้อนสูง ใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบจัดการความร้อน
ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO)	230	7.5–9.0	~250	มีค่าการนำความร้อนสูงเป็นพิเศษ แต่มีพิษ และมีการนำไปใช้ในวงจำกัด
เซอร์โคเนียเสริมความแข็งแรงอะลูมินา	~15	7.5–8.0	~325	อะลูมินาชนิดเสริมความแข็งแรง เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิปานกลาง
บอร์อน ไนไตรด์ (BN)	60–80 (ฐานสิบหก)	1.0–2.0	~200	สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมากแต่มีความแข็งแรงค่อนข้างต่ำ เหมาะสำหรับใช้เป็นวัสดุฉนวนกันความร้อนในบริเวณรอยต่อ
เซรามิกแก้วที่สามารถตัดได้	1.5–3.5	3.0–3.5	~200	มีความสามารถในการตัดกลึงได้ดี แต่มีค่าการนำความร้อนและความแข็งแรงต่ำกว่า
เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ (ZrO₂)	2.5–3	10.0–11.5	~300	มีความยืดหยุ่นสูงแต่มีค่าการนำความร้อนต่ำ มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
ออกไซด์ของอะลูมิเนียม (Al₂O₃, ความบริสุทธิ์ 99.51%)	25–35	7.5–8.5	200~300	เซรามิกที่ใช้กันทั่วไป แต่ไม่เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วบ่อยครั้ง

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

ต้องการความช่วยเหลือในการเลือกเซรามิกที่เหมาะสมหรือไม่?

การเลือกวัสดุเซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการรับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาวและประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ไม่ว่าคุณจะต้องการเซรามิกที่มีฐานเป็นเซอร์โคเนีย ซิลิคอนไนไตรด์ หรืออะลูมินา วัสดุของเรามอบความแข็งแรง ความทนทาน และความแม่นยำที่เป็นผู้นำในอุตสาหกรรม

ทีมเทคนิคของเราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณ – กรุณาติดต่อเราทันที และเราจะให้คำแนะนำที่มืออาชีพและปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะของคุณ

ติดต่อเรา

การเปรียบเทียบ: เซรามิกกับโลหะและพลาสติก

รูปด้านล่างจัดอันดับวัสดุทั่วไปตามความต้านทานต่อความร้อนแบบฉับพลัน โดยใช้พารามิเตอร์ R เป็นตัวชี้วัด (ค่าที่สูงกว่าแสดงถึงประสิทธิภาพที่ดีกว่า) ค่าเหล่านี้ได้มาจากฐานข้อมูลวัสดุและมาตรฐานอุตสาหกรรม

■ สีแดง: เซรามิกขั้นสูง ■ สีเหลือง: โลหะ ■ สีเขียว: พลาสติก

*ข้อมูลนี้ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น

การประยุกต์ใช้งานตามความต้านทานต่อแรงกระแทกความร้อนของเซรามิก

แผ่นซับสเตรตกระจายความร้อนอิเล็กทรอเทอร์มอลอิเล็กทรอนิกส์ (เซรามิก AIN)

วัสดุ: ไนไตรด์อะลูมิเนียม (AlN)
บริบทการใช้งาน: อุปกรณ์เช่น IGBTs และ MOSFETs กำลังไฟฟ้าจะผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิบ่อยครั้งในระหว่างการดำเนินงาน
ข้อกำหนดประสิทธิภาพหลัก: การนำความร้อนสูง, การเป็นฉนวนไฟฟ้า, และความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน
ข้อดี: วัสดุรองรับเซรามิกจะเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างรวดเร็วในระหว่างการบัดกรีหรือการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าชั่วคราว ในขณะที่ AlN สามารถทนต่อความแตกต่างของอุณหภูมิได้มากกว่า 400°C ซึ่งช่วยป้องกันการแตกร้าวหรือการลอกตัวของวัสดุ

ห้องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสุญญากาศ (เซรามิก BeO)

วัสดุ: ออกไซด์ของเบริลเลียม (BeO)
สถานการณ์การใช้งาน: หลอดสุญญากาศความถี่สูง, ส่วนประกอบไมโครเวฟ
ความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว: BeO มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูงและความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วที่ยอดเยี่ยม ทำให้สามารถทนต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิอย่างฉับพลันในระหว่างการปฏิบัติการที่มีกำลังสูงได้

แท่งแก้วหลอมเหลวอุณหภูมิสูง (เซรามิก Si₃N₄ 0)

วัสดุ: ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)
บริบทการใช้งาน: การจุ่มแก้วหลอมเหลวซ้ำ ๆ ที่อุณหภูมิสูงระหว่างเขตหลอมละลายและเขตทำความเย็นในระหว่างกระบวนการผลิตแก้ว
ข้อดี: ซิลิคอนไนไตรด์สามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 1500°C และสามารถแช่ในน้ำเย็นได้อย่างรวดเร็วจากอุณหภูมิสูงโดยไม่เกิดการแตกร้าว ซึ่งให้ประสิทธิภาพเหนือกว่าอะลูมิเนียมออกไซด์หรือวัสดุโลหะ

แม่พิมพ์อัดร้อน (เซรามิก ZTA)

วัสดุที่ใช้: ZTA20 (เซอร์โคเนีย-ทักเคนด์ อะลูมินา)
ภูมิหลังอุตสาหกรรม: ภาคส่วนการอัดร้อนและโลหะวิทยาผง
ข้อดี: แม่พิมพ์มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากความร้อนเนื่องจากวงจรการให้ความร้อนและการเย็นซ้ำๆ ZTA ช่วยเพิ่มความเหนียวและความทนทานต่อแรงกระแทกจากความร้อนของแม่พิมพ์ จึงช่วยยืดอายุการใช้งาน

อุปกรณ์ฆ่าเชื้อด้วยอุณหภูมิสูงและความดันสูง

วัสดุ: อะลูมินาความบริสุทธิ์สูง (Al₂O₃ 99.71% TP3T)
บริบทการใช้งาน: ส่วนประกอบเซรามิกทางการแพทย์ต้องทนต่อรอบการฆ่าเชื้อด้วยไอน้ำความดันสูง (การนึ่งฆ่าเชื้อด้วยเครื่องออโตเคลฟ) ที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงซ้ำๆ โดยอุณหภูมิอยู่ระหว่าง 121°C ถึง 135°C
ข้อดี: อะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถทนต่อการฆ่าเชื้อด้วยอุณหภูมิสูงซ้ำๆ → วงจรการทำให้เย็นลงได้ ซึ่งช่วยให้มั่นใจในความเสถียรของโครงสร้างและความเฉื่อยทางชีวภาพ

แผ่นฉนวนเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (เซรามิก SiC)

วัสดุที่ใช้: ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SSiC) ที่ผ่านการเผาผนึกด้วยแรงดันบรรยากาศ
บริบทการใช้งาน: อุณหภูมิการทำงานถึง 800°C ถึง 1000°C พร้อมการสตาร์ทเครื่องร้อนและเย็นบ่อยครั้ง รวมถึงการหยุดเครื่อง
ข้อดี: ซิลิคอนคาร์ไบด์มีคุณสมบัติการนำความร้อนและความทนทานต่อความร้อนได้ดีเยี่ยม ช่วยป้องกันการแตกร้าวของโครงสร้างที่เกิดจากความร้อน

การบุท่อเซรามิกในระบบเกลือหลอมสำหรับพลังงานแสงอาทิตย์

วัสดุ: ซิลิคอนไนไตรด์ หรือ ซิลิคอนคาร์ไบด์
บริบทการใช้งาน: อุปกรณ์สำหรับลำเลียงเกลือหลอมเหลวที่มีอุณหภูมิสูง (>700°C)
ข้อดี: ด้วยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแต่ละวันอย่างมีนัยสำคัญ วัสดุบุผิวเซรามิก Si₃N₄ หรือ SSiC สามารถป้องกันการแตกร้าวจากความล้าทางความร้อน รักษาความแน่นสนิทของก๊าซและความแข็งแรงเชิงกลในระยะยาว

ภาพรวม

การเลือกวัสดุ

ความต้านทานต่อความช็อกความร้อนของเซรามิกขั้นสูง