I 10 principali materiali ceramici per la gestione termica

Che cos'è la conduttività termica?

Laconducibilità termica è la capacità di un materiale di condurre il calore. In parole povere, indica la velocità con cui il calore passa attraverso una sostanza. Un'alta conducibilità termica significa che il calore si muove rapidamente. Una bassa conducibilità termica significa che il materiale trattiene meglio il calore. Questa proprietà è importante. Influisce sul modo in cui i materiali vengono utilizzati in ingegneria e nei dispositivi di uso quotidiano. Gli ingegneri guardano spesso alla conducibilità termica quando scelgono i materiali per l'elettronica o i componenti dei motori.

Tabella della conducibilità termica dei materiali ceramici più comuni

Di seguito è riportata una semplice tabella che elenca alcune ceramiche comuni e le loro conduttività termiche. Questi numeri sono approssimativi e possono variare a seconda della purezza e del metodo di produzione.

Questi valori sono valori medi misurati in laboratorio. I valori effettivi dipendono da fattori quali la lavorazione e la struttura.

I 10 migliori materiali ceramici ad alta conducibilità termica

Vediamo ora quali sono i materiali ceramici che trasferiscono meglio il calore.

1. Ossido di berillio - 200-250 W/m-K

L'ossido di berillio si distingue per la sua conducibilità termica di 200-250 W/m-K. Viene utilizzato negli isolanti ceramici ad alte prestazioni. Gli ingegneri lo preferiscono per gli imballaggi elettronici grazie alle sue proprietà di dissipazione del calore.

2. Nitruro di alluminio - 140-180 W/m-K

Il nitruro di alluminio funziona bene per la gestione termica. Il suo tasso di conduzione è di 140-180 W/m-K. È adatto per l'elettronica ad alta potenza. Trova impiego anche nei dissipatori di calore e nei substrati.

3. Carburo di silicio - 70-120 W/m-K

Il carburo di silicio è noto per la sua conducibilità di 70-120 W/m-K. Ha anche una buona resistenza meccanica. Questo materiale viene spesso utilizzato in ambienti ad alta temperatura, come i forni industriali.

4. Ossido di magnesio - 40-60 W/m-K

L'ossido di magnesio conduce il calore a una velocità di 40-60 W/m-K. È comunemente utilizzato nelle applicazioni refrattarie e nelle parti isolanti dei forni.

5. Diboruro di titanio - 40-60 W/m-K

Il diboruro di titanio ha una conducibilità termica compresa tra 40-60 W/m-K. Viene utilizzato nei casi in cui è necessaria un'elevata resistenza e una buona conduzione del calore. Ne sono un esempio i sistemi di armatura e gli elementi di riscaldamento.

6. Nitruro di boro esagonale - 30-60 W/m-K

Il nitruro di boro esagonale, con una gamma di conduzione di 30-60 W/m-K, è apprezzato per le sue prestazioni stabili anche ad alte temperature. Funziona anche come isolante elettrico, un vantaggio per l'elettronica.

7. Allumina (ossido di alluminio) - 20-35 W/m-K

L 'allumina normale presenta una conducibilità termica di 20-35 W/m-K. È abbondante e conveniente. I componenti realizzati in allumina sono integrati in vari sistemi di gestione del calore.

8. Nitruro di silicio - 20-30 W/m-K

Il nitruro di silicio offre una conducibilità di 20-30 W/m-K. Nonostante non sia la più alta, è in grado di bilanciare resistenza, durata e gestione termica. Funziona bene nei componenti dei motori automobilistici.

9. Cordierite - 3-4 W/m-K

Sebbene la cordierite abbia una conducibilità termica inferiore (3-4 W/m-K) rispetto agli altri componenti di questo elenco, il suo basso coefficiente di espansione termica la rende ideale per applicazioni resistenti agli shock termici.

10. Zirconia (stabilizzata) - 2-3 W/m-K

L'ossido di zirconio stabilizzato non ha un'elevata conduttività termica (2-3 W/m-K). Tuttavia, in alcune applicazioni, le sue proprietà uniche di espansione termica la rendono utile. È fondamentale in alcuni sistemi ad alta temperatura che richiedono una deformazione minima.

I primi cinque materiali elencati (ossido di berillio, nitruro di alluminio, carburo di silicio, ossido di magnesio e diboruro di titanio) offrono le prestazioni più elevate in termini di conduzione termica. Gli altri forniscono proprietà utili quando si considerano i problemi di stabilità termica o di costo.

Applicazioni dei materiali ceramici termoconduttivi

Le ceramiche termoconduttive hanno molti impieghi.

Servono in elettronica, dove il calore dei microprocessori deve essere dissipato. Il nitruro di alluminio e l'ossido di berillio sono comuni nei circuiti stampati e nell'imballaggio dei chip. Nell'elettronica di potenza, una corretta rimozione del calore può allungare la vita dei dispositivi.

In ambienti industriali ad alta temperatura, il carburo di silicio e l'ossido di magnesio offrono buone prestazioni. Si trovano negli elementi di riscaldamento, nei componenti dei forni e nei rivestimenti delle fornaci. I motori e i componenti automobilistici utilizzano talvolta il nitruro di silicio per il suo equilibrio tra conduttività termica e resistenza.

Le ceramiche svolgono un ruolo importante anche nel settore aerospaziale. La loro capacità di gestire carichi termici elevati li rende ideali per i componenti dei motori a reazione e dei veicoli spaziali. I materiali tengono sotto controllo le temperature, consentendo agli strumenti sensibili di funzionare in modo sicuro.

Alcuni dispositivi medici traggono vantaggio dalla ceramica. La loro biocompatibilità e la conduzione controllata del calore si adattano ai dispositivi impiantabili e alle apparecchiature diagnostiche. Inoltre, materiali come il nitruro di boro esagonale aiutano a gestire il calore nei sistemi laser e nell'illuminazione ad alta potenza.

Gli scambiatori di calore industriali utilizzano talvolta compositi ceramici. Queste miscele sono progettate per mantenere la forma anche a temperature elevate, garantendo al contempo una dissipazione affidabile del calore. La scelta del materiale dipende dai carichi termici, dalla resistenza meccanica richiesta e dai limiti di costo.

Conclusioni

Le ceramiche termoconduttive svolgono un ruolo essenziale nell'ingegneria moderna. La loro capacità di spostare il calore in modo efficiente è fondamentale nell'elettronica, nell'industria, nell'aerospaziale e nella medicina. Materiali come l'ossido di berillio, il nitruro di alluminio e il carburo di silicio sono in cima alla lista per le loro elevate prestazioni. Altre ceramiche offrono vantaggi come la durata, la bassa espansione termica e l'economicità.

Domande frequenti

F: Perché la conducibilità termica è importante nella ceramica?
D: Influisce sulle prestazioni del materiale nell'elettronica e nelle applicazioni ad alta temperatura, trasferendo efficacemente il calore.

F: Come si misura la conduttività termica?
D: Si misura in watt per metro-kelvin utilizzando una differenza di temperatura e un flusso di calore controllati.

F: Quali applicazioni utilizzano ceramiche ad alta conducibilità termica?
D: Sono utilizzate nell'elettronica, negli elementi riscaldanti industriali, nei componenti aerospaziali e nei dispositivi medici.