Hệ số giãn nở nhiệt của gốm sứ tiên tiến

Hệ số giãn nở nhiệt của gốm sứ tiên tiến là gì?

Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) là một trong những thông số quan trọng nhất trong thiết kế và ứng dụng gốm sứ tiên tiến. Nó quyết định mức độ giãn nở hoặc co lại của vật liệu theo sự thay đổi nhiệt độ, đóng vai trò quyết định trong các thành phần đa vật liệu, môi trường nhiệt độ cao và hệ thống chính xác. Gốm sứ tiên tiến nổi tiếng với tính ổn định kích thước vượt trội và giá trị CTE thấp, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp để đáp ứng các yêu cầu khắt khe về tính năng nhiệt.

Đi đến

Tại sao hệ số giãn nở nhiệt lại quan trọng?

Sự không tương thích về độ giãn nở nhiệt giữa các vật liệu khác nhau có thể dẫn đến ứng suất nhiệt, nứt vỡ hoặc tách lớp trong cấu trúc composite. Bằng cách lựa chọn gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt phù hợp, các kỹ sư có thể giảm thiểu tối đa các rủi ro này và nâng cao độ tin cậy cũng như tuổi thọ của sản phẩm.

Lợi ích của việc sử dụng gốm sứ tiên tiến có độ giãn nở nhiệt thấp:

Độ ổn định kích thước trong chu trình nhiệt

Gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt thấp (CTE), chẳng hạn như nitrua silic (Si₃N₄), cacbua silic (SiC) và nitrua nhôm (AlN), hầu như không giãn nở hoặc co lại khi nhiệt độ thay đổi. Điều này đảm bảo rằng:

Đảm bảo độ chính xác kích thước nhất quán trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao (ví dụ: quang học, bán dẫn).
Ngăn ngừa sự cong vênh, biến dạng hoặc lệch vị trí trong quá trình gia nhiệt và làm mát.

Nâng cao khả năng chống sốc nhiệt

Hệ số giãn nở thấp có thể giảm ứng suất bên trong trong quá trình biến đổi nhiệt độ nhanh chóng, từ đó giảm thiểu rủi ro nứt do nhiệt. Điều này khiến các vật liệu như Si₃N₄ và SiC trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng sau:

Bộ trao đổi nhiệt
Đầu phun của bộ đốt
Phụ tùng hàng không vũ trụ
Phụ tùng động cơ ô tô

Tăng cường khả năng tương thích của các thành phần đa vật liệu

Khi kết dính gốm sứ với kim loại hoặc các vật liệu nền khác, sự không tương thích nhiệt là nguyên nhân chính dẫn đến hỏng hóc mối nối. Gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt thấp:

Giảm ứng suất bề mặt trong quá trình hàn kim loại gốm.
Nâng cao độ kín và độ tin cậy lâu dài của vỏ bọc điện tử và đường dẫn tín hiệu.
Cho phép đạt được sự phù hợp tốt hơn về hệ số giãn nở nhiệt (CTE) với các chất bán dẫn trong sản phẩm điện tử (ví dụ: GaN, Si).

Hiệu suất vượt trội của hệ thống quang học

Trong các thiết bị như kính viễn vọng, hệ thống laser và thiết bị đo lường, ngay cả sự giãn nở ở mức micromet cũng có thể gây ra sự biến dạng của đường truyền ánh sáng. Gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt thấp:

Giữ sự căn chỉnh quang học trong toàn bộ phạm vi nhiệt độ.
Gương, giá đỡ ống kính và cấu trúc hỗ trợ được sử dụng rộng rãi trong quang học không gian và quốc phòng (ví dụ: SiC trong kính viễn vọng không gian).

Kéo dài tuổi thọ của linh kiện

Bằng cách giảm mỏi nhiệt và sự lan rộng của các vết nứt nhỏ, gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt thấp (CTE) có thể kéo dài tuổi thọ của các bộ phận sau:

Mô-đun điện tử công suất lớn
Vòng bi tốc độ cao
Lò phản ứng nhiệt độ cao

Độ tin cậy cao trong môi trường chân không hoặc môi trường trơ

Trong các hệ thống chân không cực cao hoặc hóa học trơ, ứng suất nhiệt không thể được giảm bớt thông qua quá trình khuếch tán hoặc giãn nở. Gốm sứ có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp giúp:

Ngăn chặn sự cố cấu trúc.
Giữ độ chính xác cao cho buồng chân không, ống tia X và hệ thống chùm ion.

Dữ liệu hệ số giãn nở nhiệt của các loại gốm sứ tiên tiến chính

Vật liệu gốm sứ	(×10⁻⁶/K) ở nhiệt độ 20–300°C	Đặc điểm
Silicon carbide (SiC)	2.3	Cực kỳ cứng, có khả năng chống ăn mòn và mài mòn tuyệt vời, tính dẫn nhiệt cao.
Silicon nitride (Si₃N₄)	~3.7	Độ bền gãy cao, khả năng chống sốc nhiệt, mật độ thấp
Nitrua nhôm (AlN)	4.2~5.6	Độ dẫn nhiệt cao, cách điện tốt, tổn thất điện môi thấp
Oxit beo (BeO)	~6	Độ dẫn nhiệt rất cao, cách điện, dạng bột có độc tính.
Boron nitride (h-BN)	~7.2	Bôi trơn, ổn định nhiệt, cách điện
Aluminium oxide (Al₂O₃)	7.2~7.5	Độ cứng cao, khả năng chống mài mòn tốt, tính cách điện tuyệt vời
Glass-ceramic (MGC)	9.3	Dễ gia công, độ bền điện môi tốt, hệ số dẫn nhiệt thấp
Zirconium oxide (ZrO₂)	~10	Độ bền cao, hệ số dẫn nhiệt thấp, tăng cường độ bền bằng sự chuyển pha

*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 giãn nở 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 giãn nở nhiệt của gốm sứ

Thiết bị bán dẫn — Kẹp nitrua nhôm và nitrua silic

Thách thức:

Trong quá trình quang khắc và gia công wafer, ngay cả sự giãn nở nhiệt ở mức micromet cũng có thể gây ra sự lệch vị trí hoặc hỏng hóc thiết bị. Các bộ phận kim loại thường giãn nở đáng kể khi bị gia nhiệt.
Giải pháp:
- Silicon nitride (Si₃N₄) và aluminum nitride (AlN) được sử dụng làm các bộ phận kết cấu hoặc lắp đặt nhờ hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp (3,2–4,5 ×10⁻⁶/°C), đảm bảo tính ổn định kích thước trong quá trình tuần hoàn nhiệt nhanh.
- Các vật liệu này còn có khả năng chống sốc nhiệt và cách điện điện tuyệt vời, giúp tăng cường hơn nữa tính ứng dụng của chúng trong môi trường bán dẫn.

Các thành phần kim loại gốm — Nhôm oxit và zirconium oxit trong cấu trúc hàn

Thách thức:

Để hàn gốm vào kim loại (ví dụ: hợp kim Kovar, molypden), cần sử dụng vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) tương thích hoặc tương ứng để tránh nứt mối hàn trong quá trình thay đổi nhiệt độ.
Giải pháp:
- Hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của nhôm oxit (Al₂O₃) khoảng 7,1, rất gần với hệ số giãn nở nhiệt (CTE) của hợp kim Kovar (khoảng 6,5), khiến nó trở thành vật liệu tiêu chuẩn cho các ứng dụng như lỗ thông khí kín, vỏ cảm biến và vỏ điện tử.
- Để đạt được độ bền hoặc độ dẻo cao hơn, có thể sử dụng oxit zirconium (ZrO₂), nhưng cần sử dụng hợp kim hàn chuyên dụng hoặc lớp trung gian để thích ứng với hệ số giãn nở cao hơn của nó (~10,5).

Bảng mạch LED công suất cao — Nitrua nhôm

Thách thức:

Đèn LED có độ sáng cao sẽ tạo ra lượng nhiệt lớn, do đó, tấm nền phải có khả năng tản nhiệt hiệu quả đồng thời duy trì tính toàn vẹn cơ học.
Giải pháp:
- Aluminum nitride (AlN) có độ dẫn nhiệt cao (~170 W/m·K) và hệ số giãn nở nhiệt (CTE) trung bình (~4.5), khiến nó trở thành vật liệu nền lý tưởng.
- Độ giãn nở nhiệt của nó tương thích với GaN và các chất bán dẫn khác, giúp giảm thiểu tối đa các sự cố do sự không tương thích nhiệt gây ra.

Hàng không vũ trụ và quốc phòng — Thiết bị quang học silicon carbide

- Thách thức:
  
  Trong các vệ tinh và kính viễn vọng không gian, các thành phần quang học phải chịu sự chênh lệch nhiệt độ cực đoan, điều này có thể dẫn đến biến dạng và mất tiêu cự.
Giải pháp:
- Silicon carbide (SiC) được chọn làm cấu trúc gương do có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) thấp (~4.0), độ cứng cao và trọng lượng nhẹ.
- Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) đã sử dụng gương silicon carbide trong các nhiệm vụ như Gaia và Herschel Space Observatory.

Glass ceramics that can be processed in precision fixtures

Thách thức:

Trong các công cụ nguyên mẫu và thiết bị đo lường, sự giãn nở nhiệt có thể ảnh hưởng đến độ chính xác kích thước.
Giải pháp:
- MGC (Glass-Ceramic) ví dụ như vật liệu composite dựa trên fluoro-mica có hệ số giãn nở nhiệt (CTE) trung bình (~9.0), tương đương với một số loại kim loại và thủy tinh.
- Các vật liệu này được sử dụng trong các trường hợp cần đúc khuôn tùy chỉnh, giao hàng nhanh và tính năng nhiệt trung bình.

Tổng quan

Lựa chọn vật liệu

Hệ số giãn nở nhiệt của gốm sứ tiên tiến