Os 10 principais materiais cerâmicos para gerenciamento térmico

O que é condutividade térmica?

A condutividade térmica é a capacidade de um material conduzir calor. Em palavras simples, ela mostra a rapidez com que o calor passa por uma substância. Alta condutividade térmica significa que o calor se move rapidamente. Baixa condutividade térmica significa que o material retém melhor o calor. Essa propriedade é importante. Ela afeta a forma como os materiais são usados na engenharia e nos dispositivos cotidianos. Os engenheiros geralmente analisam a condutividade térmica ao escolher materiais para componentes eletrônicos ou de motores.

Tabela de condutividade térmica de materiais cerâmicos comuns

Abaixo está uma tabela simples que lista algumas cerâmicas comuns e suas condutividades térmicas. Esses números são aproximados e podem variar de acordo com a pureza e o método de produção.

Esses valores são valores médios medidos em laboratório. Os valores reais dependem de fatores como processamento e estrutura.

Os 10 principais materiais cerâmicos com alta condutividade térmica

Vamos dar uma olhada nos materiais cerâmicos com melhor desempenho na transferência de calor.

1. óxido de berílio - 200-250 W/m-K

O óxido de berílio se destaca por sua condutividade térmica de 200-250 W/m-K. Ele é usado em isoladores de cerâmica de alto desempenho. Os engenheiros o preferem para embalagens eletrônicas devido às suas propriedades de dissipação de calor.

2. nitreto de alumínio - 140-180 W/m-K

O nitreto de alumínio funciona bem para o gerenciamento térmico. Sua taxa de condução é de 140-180 W/m-K. É adequado para eletrônicos de alta potência. Também pode ser usado em dissipadores de calor e substratos.

3. carbeto de silício - 70-120 W/m-K

O carbeto de silício é conhecido por sua condutividade de 70-120 W/m-K. Ele também tem boa resistência mecânica. O material é frequentemente aplicado em ambientes de alta temperatura, como fornos industriais.

4. óxido de magnésio - 40-60 W/m-K

O óxido de magnésio conduz calor a uma taxa de 40-60 W/m-K. É comumente usado em aplicações refratárias e peças de isolamento para fornos.

5. diboreto de titânio - 40-60 W/m-K

O diboreto de titânio tem uma faixa de condutividade térmica entre 40 e 60 W/m-K. Ele é usado quando é necessário ter alta resistência e boa condução de calor. Exemplos são os sistemas de blindagem e os elementos de aquecimento.

6. nitreto de boro hexagonal - 30-60 W/m-K

O nitreto de boro hexagonal, com uma faixa de condução de 30 a 60 W/m-K, é valorizado por seu desempenho estável mesmo em altas temperaturas. Ele também funciona como um isolante elétrico, o que é uma vantagem na eletrônica.

7. alumina (óxido de alumínio) - 20-35 W/m-K

A alumina comum apresenta condutividade térmica de 20 a 35 W/m-K. Ela é abundante e econômica. Os componentes feitos de alumina são integrados a vários sistemas de gerenciamento de calor.

8. nitreto de silício - 20-30 W/m-K

O nitreto de silício oferece uma condutividade de 20 a 30 W/m-K. Apesar de não ser a mais alta, ela equilibra resistência, durabilidade e gerenciamento térmico. Funciona bem em peças de motores automotivos.

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

Embora a cordierita tenha uma condutividade térmica mais baixa (3-4 W/m-K) em comparação com outros materiais desta lista, seu baixo coeficiente de expansão térmica a torna ideal para aplicações resistentes a choques térmicos.

10. Zircônia (estabilizada) - 2-3 W/m-K

A zircônia estabilizada não tem alta condutividade térmica (2-3 W/m-K). Entretanto, em algumas aplicações, suas propriedades exclusivas de expansão térmica a tornam útil. Ela é fundamental em alguns sistemas de alta temperatura que exigem deformação mínima.

Os cinco principais materiais listados aqui (óxido de berílio, nitreto de alumínio, carboneto de silício, óxido de magnésio e diboreto de titânio) oferecem o melhor desempenho em termos de condução térmica. Os demais oferecem propriedades úteis quando a estabilidade térmica ou os problemas de custo são considerados.

Aplicações de materiais cerâmicos termicamente condutores

As cerâmicas termicamente condutoras têm muitos usos.

Elas são usadas em eletrônicos, onde o calor dos microprocessadores precisa ser dissipado. O nitreto de alumínio e o óxido de berílio são comuns em placas de circuito e embalagens para chips. Na eletrônica de potência, a remoção adequada do calor pode prolongar a vida útil do dispositivo.

Em ambientes industriais de alta temperatura, o carbeto de silício e o óxido de magnésio têm bom desempenho. Eles são encontrados em elementos de aquecimento, componentes de fornos e revestimentos de fornos. Os motores e as peças automotivas às vezes usam nitreto de silício devido ao seu equilíbrio entre condutividade térmica e resistência.

A cerâmica também desempenha um papel no setor aeroespacial. Sua capacidade de lidar com altas cargas de calor as torna ideais para componentes de motores a jato e naves espaciais. Os materiais mantêm as temperaturas sob controle, permitindo que instrumentos sensíveis funcionem com segurança.

Alguns dispositivos médicos se beneficiam da cerâmica. Sua biocompatibilidade e a condução controlada de calor são adequadas para dispositivos implantáveis e equipamentos de diagnóstico. Além disso, materiais como o Nitreto de Boro Hexagonal ajudam a gerenciar o calor em sistemas de laser e iluminação de alta potência.

Os trocadores de calor industriais às vezes usam compostos de cerâmica. Essas misturas são projetadas para manter a forma mesmo em altas temperaturas e, ao mesmo tempo, proporcionar uma dissipação de calor confiável. A escolha do material depende das cargas térmicas, da resistência mecânica necessária e das limitações de custo.

Conclusão

As cerâmicas termicamente condutoras desempenham uma função essencial na engenharia moderna. Sua capacidade de movimentar o calor de forma eficiente é crucial na eletrônica, na indústria, na indústria aeroespacial e na medicina. Materiais como óxido de berílio, nitreto de alumínio e carbeto de silício lideram a lista de alto desempenho. Outras cerâmicas oferecem benefícios como durabilidade, baixa expansão térmica e economia.

Perguntas frequentes

F: Por que a condutividade térmica é importante na cerâmica?
P: Ela afeta o desempenho do material em aplicações eletrônicas e de alta temperatura por meio da transferência eficiente de calor.

F: Como a condutividade térmica é medida?
P: Ela é medida em watts por metro-kelvin usando uma diferença de temperatura e um fluxo de calor controlados.

F: Quais aplicações utilizam cerâmicas de alta condutividade térmica?
P: Elas são usadas em eletrônicos, elementos de aquecimento industrial, componentes aeroespaciais e dispositivos médicos.