L’uso della ceramica in applicazioni ad alta conduttività termica è un mercato specializzato in crescita. Le ceramiche di ossido sono i materiali di base più comuni. Ma la maggior parte di esse è limitata a 26-30 W/mK che, se confrontati con i due metalli ad alta conduttività termica più comuni, il rame intorno a 385 W/mK e l’alluminio intorno a 150-185 W/mK, lascia un ampio divario.
L’obiettivo è aumentare la conduttanza termica mantenendo l’altra caratteristica fondamentale della ceramica: l’isolamento elettrico.
I recenti sviluppi nel campo dell’allumina hanno aumentato la conduttività termica in alcuni gradi fino a 39 W/mK, un valore ancora ben al di sotto dei metalli comunemente utilizzati, ma che rappresenta un aumento significativo rispetto al livello base.
I materiali ceramici selezionati per raggiungere questa conduttanza termica più elevata sono un gruppo specializzato. Tutti hanno i loro punti di forza e di debolezza e non tutti offrono la proprietà chiave dell’isolamento elettrico.
Diamo un’occhiata a quattro contendenti, tra cui nitruro di boro , compositi di nitruro di alluminio (AlN), ossido di berillio e nitruro di alluminio . Il primo contendente è Shapal Hi-M Soft , un composito di nitruro di alluminio e nitruro di boro , che offre un aumento significativo della conduttività termica, oltre 92 W/mK, e migliora l’isolamento elettrico. La combinazione di questi due materiali apporta anche un secondo vantaggio al materiale, la sua lavorabilità. Non richiede utensili diamantati per la lavorazione. Ma per ottenere questo composito di nitruro di alluminio/nitruro di boro lavorabile è necessaria la pressatura a caldo, che limita le dimensioni disponibili del materiale.
Il nitruro di boro , un altro materiale pressato a caldo, è anch’esso lavorabile ed è disponibile in pezzi più grandi. Inoltre, sono disponibili molti gradi. Ma solo la purezza più elevata può eguagliare il composito lavorabile AlN / nitruro di boro per conduttanza termica e, in alcuni casi, può superarlo. I gradi di purezza elevata sono meccanicamente più deboli e morbidi del composito lavorabile Nitruro di alluminio / Nitruro di boro.
L’ossido di berillio è stato il materiale di scelta per alcuni progetti di fascia alta per molti anni. Questo materiale ha una conduttività termica di 285 W/mK, un buon isolamento elettrico e, in quanto ossido ceramico, non ha nessuno dei requisiti di fornace con azoto specializzati del nitruro di alluminio. Lo svantaggio principale sono i requisiti di salute e sicurezza associati a questo materiale, con il risultato che solo applicazioni specializzate tendono a utilizzarlo, come nei requisiti di tipo militare.
Il nitruro di alluminio (AlN) tende a essere utilizzato principalmente sotto forma di substrato, come passaggio successivo ai substrati di allumina. La maggior parte della produzione mondiale di AlN è in questa forma. La conduttività termica di AlN dipende dal grado e dalla qualità. Lo standard del settore tende a essere 170-180 W/mK, con gradi inferiori fino a 150 W/mK e purezza ultra elevata fino a circa 220 W/mK. I componenti AlN in una geometria 3D sono molto meno comuni. Molti ingegneri preferiscono utilizzare un composito di nitruro di alluminio lavorabile, soprattutto nelle fasi di progettazione iniziali, ma spesso anche nei volumi di produzione, anche se ha una conduttività termica inferiore.
Se vuoi la massima conduttanza termica e hai tasche davvero profonde, allora a oltre 2000 W/mK, il diamante sintetico è quello che fa per te. Ma il tuo requisito di conduttanza termica dovrebbe essere di natura estrema.
La tabella seguente confronta la conduttività termica di 3 isolanti elettrici (nitruro di alluminio, Shapal e allumina) e 2 conduttori elettrici (alluminio e rame):
| Composto | ID | Conduttanza termica |
|---|---|---|
| Alluminio | Al | 225 W/mK |
| Rame | Cu | 380 W/mK |
| Nitruro di alluminio | AlN | 170 W/mK |
| Shapal (AlN lavorabile) | Composito Al/BN | 92 W/mK |
| Allumina | Al2O3 | 26 W/mK |
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