Độ dẫn nhiệt của gốm sứ tiên tiến

Hệ số dẫn nhiệt (k, đơn vị: W/m·K) đo lường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu — đây là đặc tính quan trọng trong các ứng dụng điện tử, hàng không vũ trụ, năng lượng và công nghiệp. Trong bài viết này, chúng ta sẽ so sánh gốm sứ tiên tiến với kim loại và nhựa, tầm quan trọng của chúng và các lĩnh vực ứng dụng.

Đi đến

Tại sao hệ số dẫn nhiệt của gốm sứ lại quan trọng đến vậy?

Gốm sứ được sử dụng rộng rãi trong quản lý nhiệt nhờ tính dẫn nhiệt cao và khả năng cách điện điện tuyệt vời. Khác với kim loại có khả năng dẫn nhiệt và dẫn điện đồng thời, các loại gốm sứ tiên tiến như nitrua nhôm (AlN), oxit berili (BeO) và cacbua silic (SiC) có thể truyền nhiệt hiệu quả đồng thời ngăn chặn dòng điện. Điều này khiến chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các linh kiện điện tử, thiết bị điện và các ứng dụng nhiệt độ cao, vì những ứng dụng này đòi hỏi sự cách ly điện và tản nhiệt đáng tin cậy.

Ngoài ra, gốm sứ còn có những ưu điểm sau:

Có độ ổn định nhiệt cao ở nhiệt độ cao
Chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt
Độ bền cơ học và độ bền dưới chu kỳ nhiệt

Những đặc tính này cho phép gốm sứ được sử dụng làm bộ tản nhiệt hiệu quả, tấm nền và bộ tản nhiệt cách nhiệt trong các ngành công nghiệp như điện tử, hàng không vũ trụ, ô tô và năng lượng.

Làm thế nào để xác định hướng ứng dụng của vật liệu?

Gốm sứ tiên tiến có hệ số dẫn nhiệt cao được sử dụng trong các bộ phận cốt lõi của quản lý nhiệt, chẳng hạn như đóng gói điện tử, kiểm soát nhiệt hàng không vũ trụ, tấm tản nhiệt bán dẫn, v.v.
Kết hợp giữa độ dẫn nhiệt trung bình và vật liệu có độ bền cao, phù hợp cho các bộ phận hoạt động ở nhiệt độ cao, chẳng hạn như ổ trục cơ khí chịu tải nặng và vòi phun.
Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt thấp được sử dụng trong các khu vực cách nhiệt và kiểm soát nhiệt độ, chẳng hạn như lớp phủ rào cản nhiệt và tấm cách nhiệt.

Dữ liệu về hệ số dẫn nhiệt của các loại gốm sứ tiên tiến chính

Vật liệu gốm sứ	Kj (W/m·K)	Đặc điểm
Oxit beo (BeO)	230–330	Độ dẫn nhiệt rất cao, cách điện, dạng bột có độc tính.
Nitrua nhôm (AlN)	170–210	Độ dẫn nhiệt cao, cách điện tốt, tổn thất điện môi thấp
Silicon carbide (SiC)	120–200	Cực kỳ cứng, có khả năng chống ăn mòn và mài mòn tuyệt vời, tính dẫn nhiệt cao.
Boron nitride (h-BN)	~60	Bôi trơn, ổn định nhiệt, cách điện
Aluminium oxide (Al₂O₃)	25–35	Độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, tính cách điện tuyệt vời
Silicon nitride (Si₃N₄)	20–30	Độ bền gãy cao, khả năng chống sốc nhiệt, mật độ thấp
Zirconium oxide (ZrO₂)	2–3	Độ bền cao, hệ số dẫn nhiệt thấp, tăng cường độ bền bằng sự chuyển pha
Glass-ceramic (MGC)	~2	Dễ gia công, độ bền điện môi tốt, hệ số dẫn nhiệt thấp

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

Cần giúp đỡ để chọn gốm sứ phù hợp?

Việc lựa chọn vật liệu gốm sứ có độ bền cao phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ tin cậy lâu dài và hiệu suất tối ưu. Dù bạn cần gốm sứ dựa trên zirconia, silicon nitride hay alumina, vật liệu của chúng tôi đều cung cấp độ bền, độ bền và độ chính xác hàng đầu trong ngành.

Đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn – hãy liên hệ với chúng tôi ngay lập tức, chúng tôi sẽ cung cấp cho bạn những lời khuyên chuyên nghiệp và tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể của bạn.

Liên hệ với chúng tôi

So sánh: Gốm sứ với kim loại và nhựa

Biểu đồ thanh dưới đây hiển thị hệ số dẫn nhiệt của các loại vật liệu kỹ thuật khác nhau - từ gốm siêu cứng đến nhựa công nghiệp thông thường, được sắp xếp theo thứ tự từ cao đến thấp.

Gốm sứ

Kim loại

Nhựa

*Dữ liệu chỉ mang tính tham khảo.

Ứng dụng dựa trên hệ số dẫn nhiệt của gốm sứ

Lĩnh vực thiết bị cơ khí

Ứng dụng gốm sứ:
- Nitrua nhôm (AlN)
- Oxit beo (BeO)
- Silicon nitride (Si₃N₄)
Ví dụ ứng dụng:
- Miếng đệm cách nhiệt cho ổ trục chịu tải nhiệt cao: Gốm Si₃N₄ có độ dẫn nhiệt tốt (khoảng 20-30 W/m·K), chịu nhiệt độ cao và chống va đập, được sử dụng cho trục chính tốc độ cao để truyền nhiệt hiệu quả và tránh quá nhiệt.
- Nắp tản nhiệt động cơ: AlN có hệ số dẫn nhiệt cao (khoảng 170-220 W/m·K), thường được sử dụng trong vỏ động cơ hiệu suất cao, thay thế cho kim loại truyền thống, nhằm giảm trọng lượng và ứng suất nhiệt.
- Bệ trao đổi nhiệt cho thiết bị công suất cao: Dùng để làm mát mô-đun công suất của máy công cụ CNC.

Ngành công nghiệp điện tử

Ứng dụng gốm sứ:
- Nitrua nhôm (AlN)
- Oxit beo (BeO)
- Aluminium oxide (Al₂O₃)
Ví dụ ứng dụng:
- Bảng mạch tản nhiệt cho mô-đun truyền thông tần số cao (AlN/BeO): Độ dẫn nhiệt cao (BeO > 250 W/m·K), đảm bảo nhiệt độ của chip vi sóng được kiểm soát trong phạm vi an toàn, thường được sử dụng trong các mô-đun 5G và radar.
- Vật liệu tản nhiệt cho gói LED: Gốm AlN có độ dẫn nhiệt cao và tính cách điện tốt, là vật liệu chính được sử dụng trong gói LED công suất cao.
- IGBT/Bộ phận đóng gói bán dẫn công suất: Bảng mạch AlN giúp kiểm soát hiệu quả hiện tượng quá nhiệt cục bộ của chip, từ đó kéo dài tuổi thọ.

Lĩnh vực xe năng lượng mới

Ứng dụng gốm sứ:
- Nitrua nhôm (AlN)
- Silicon nitride (Si₃N₄)
- Gốm sứ nhôm oxit
Ví dụ ứng dụng:
- Miếng đệm gốm quản lý nhiệt cho pin động lực: Gốm AlN được sử dụng làm miếng đệm cho mô-đun pin, giúp truyền nhiệt nhanh chóng và ngăn chặn tình trạng mất kiểm soát nhiệt.
- Bảng mạch cơ sở mô-đun công suất hệ thống điều khiển điện: Dùng làm đế tản nhiệt cho mô-đun SiC MOSFET, nâng cao hiệu quả làm mát của hệ thống.
- Bạc đạn gốm cho hệ thống truyền động điện: Si₃N₄ có tính dẫn nhiệt và cách điện tốt, được ứng dụng rộng rãi trong bạc đạn động cơ, giúp giảm tiêu thụ năng lượng và nhiệt độ tăng.

Lĩnh vực hàng không vũ trụ

Ứng dụng gốm sứ:
- Silicon nitride (Si₃N₄)
- Nitrua nhôm (AlN)
- Oxit beo (BeO)
Ví dụ ứng dụng:
- Các bộ phận gốm cách nhiệt/truyền nhiệt của hệ thống đẩy tên lửa: như ống lót vòi phun, ống khí tốc độ cao, v.v., Si₃N₄ có cả tính chịu nhiệt, tính truyền nhiệt và tính chống va đập.
- Đế tản nhiệt cho linh kiện điện tử vệ tinh: Sử dụng BeO hoặc AlN để tản nhiệt hiệu quả, đảm bảo nhiệt độ hoạt động ổn định cho mô-đun điện tử hàng không vũ trụ.
- Kiểm soát nhiệt độ thiết bị điện tử trên máy bay tốc độ cao: Sử dụng gốm AlN để tản nhiệt cho các bộ phận công suất trong hệ thống điều khiển bay, nâng cao độ tin cậy của hệ thống.

Lĩnh vực luyện kim/luyện kim

Ứng dụng gốm sứ:
- Silicon nitride (Si₃N₄)
- Silicon carbide (SiC)
- Gốm sứ nhôm oxit
Ví dụ ứng dụng:
- Vỏ bảo vệ đầu dò nhiệt độ nóng chảy thép (Si₃N₄, SiC): Có tính dẫn nhiệt tốt và khả năng chống ăn mòn hóa học, có thể truyền tín hiệu nhiệt độ nhanh chóng, kéo dài tuổi thọ sử dụng.
- Nồi nấu nhôm nóng chảy/vòi phun: Sử dụng gốm có độ dẫn nhiệt cao (như SiC) để gia nhiệt đồng đều, tránh quá nhiệt cục bộ.
- Vỏ bảo vệ cặp nhiệt điện: Vỏ gốm có độ dẫn nhiệt cao, phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, đảm bảo độ chính xác trong việc kiểm soát nhiệt độ trong quá trình luyện kim.