Ceramika techniczna wyróżnia się rzadkim połączeniem cech: zachowuje wysoką przewodność cieplną przy jednoczesnym niemal zerowym przewodnictwie elektrycznym. Ta właściwość znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu – od elektroniki mocy po systemy próżniowe. Jak to możliwe, że taki materiał może tak skutecznie rozpraszać ciepło, nie przewodząc prądu elektrycznego?
Struktura wewnętrzna ceramiki – klucz do właściwości dielektrycznych
Ceramika techniczna to materiał o unikalnej strukturze krystalicznej, która nie pozwala na swobodny ruch elektronów – a więc nie umożliwia przewodzenia prądu. W odróżnieniu od metali, w których elektrony tworzą tzw. gaz elektronowy swobodnie poruszający się przez sieć atomową, w ceramice elektrony są trwale związane z atomami, więc nie biorą udziału w transporcie ładunku.
Za brak przewodnictwa elektrycznego odpowiadają m.in.:
-
silne wiązania jonowe i kowalencyjne – charakterystyczne dla materiałów takich jak tlenek glinu, azotek boru czy tlenek cyrkonu,
-
brak swobodnych nośników ładunku – elektrony są zlokalizowane przy atomach i nie mogą przemieszczać się między węzłami sieci,
-
bardzo wysoka rezystywność – dla niektórych materiałów osiąga wartości powyżej 10¹⁴ Ω•cm (np. w przypadku Al₂O₃ klasy elektrycznej),
-
duża szerokość pasma wzbronionego – co skutecznie uniemożliwia termiczny przepływ ładunku nawet przy wysokich temperaturach.
Z technicznego punktu widzenia oznacza to, że ceramika techniczna jest doskonałym izolatorem – zarówno w warunkach normalnych, jak i ekstremalnych (wysokie napięcia, obecność łuku, zmienne pola elektromagnetyczne). Dlatego też znajduje zastosowanie jako:
-
izolatory HV i UHV – stosowane w sieciach elektroenergetycznych,
-
podkładki dielektryczne w tranzystorach mocy,
-
separatory w bateriach litowo-jonowych,
-
elementy separujące uzwojenia transformatorów impulsowych,
-
izolatory w silnikach napędzanych przekształtnikami VFD.
Dzięki tej właściwości ceramika techniczna nie tylko chroni przed zwarciami, ale także zwiększa bezpieczeństwo i stabilność całego układu elektrycznego.
Dlaczego ceramika przewodzi ciepło?
Mimo że ceramika techniczna jest doskonałym izolatorem elektrycznym, przewodzi ciepło z dużą skutecznością. Wynika to z fundamentalnie odmiennego mechanizmu transportu energii. W materiałach niemetalicznych – takich jak ceramika – ciepło przenoszą nie elektrony, lecz fonony, czyli zorganizowane drgania sieci krystalicznej.
O efektywności tego transportu decyduje kilka czynników:
-
czystość struktury krystalicznej – im mniej defektów i zanieczyszczeń, tym lepszy przepływ fononów,
-
gęstość upakowania atomów – większa sztywność struktury ułatwia przenoszenie energii termicznej,
-
regularność siatki krystalicznej – uporządkowane układy (np. azotek glinu) lepiej przewodzą ciepło niż materiały amorficzne,
-
brak porowatości – minimalizacja pustek i mikroprzerw zapobiega rozpraszaniu fononów.
Przykładowe wartości przewodności cieplnej dla wybranych materiałów:
-
azotek glinu (AlN) – 170–200 W/mK (stosowany w chłodzeniu elektroniki mocy),
-
azotek boru (BN) – do 390 W/mK (izolacja termiczna w aplikacjach próżniowych),
-
węglik krzemu (SiC) – ok. 120 W/mK (komponenty do układów wysokotemperaturowych),
-
tlenek glinu (Al₂O₃) – 20–35 W/mK (dobre parametry przy relatywnie niskim koszcie).
Zdolność do przewodzenia ciepła przy jednoczesnej izolacyjności elektrycznej to cecha, która pozwala wykorzystywać ceramikę w miejscach, gdzie inne materiały zawodzą – zwłaszcza tam, gdzie trzeba odprowadzić ciepło, nie ryzykując przewodzenia prądu.
Dlatego ceramika techniczna stosowana jest m.in. w:
-
płytkach bazowych dla LED-ów wysokiej mocy,
-
izolatorach chłodzonych pasywnie,
-
separatorach w elektronice lotniczej i kosmicznej,
-
systemach zarządzania ciepłem w elektromobilności i zasilaczach impulsowych.
Przykłady zastosowań: kiedy ważna jest kombinacja izolacyjności i przewodnictwa cieplnego?
Wysoka przewodność cieplna połączona z dielektrycznością czyni ceramikę techniczną materiałem niezastąpionym w projektach, gdzie trzeba skutecznie chłodzić komponenty, jednocześnie odseparowując je elektrycznie. Przykładowe komponenty i ich zastosowania wyglądają następująco:
-
podłoża z tlenku glinu – do montażu układów LED i przetwornic impulsowych,
-
izolatory z azotku glinu – stosowane w tranzystorach mocy (SiC-MOSFET, GaN),
-
podkładki i pierścienie z BN – do systemów próżniowych, gdzie wymagana jest czystość i separacja napięciowa,
-
segmenty chłodzące z SiC – w napędach dużej mocy i konwerterach wysokiego napięcia.
Właściwości ceramiki technicznej – podsumowanie w punktach
Tak więc ceramika techniczna przewodzi ciepło, ale nie prąd – i właśnie ta kombinacja decyduje o jej wyjątkowości. Najważniejsze właściwości:
-
brak przewodnictwa elektrycznego – wysoka rezystywność, izolacja do setek kV,
-
sprawny transfer ciepła – dzięki fononom, nie elektronom,
-
stabilność termiczna i chemiczna – możliwość pracy w próżni, agresywnych mediach i przy dużym obciążeniu,
-
kompatybilność z elektroniką mocy – możliwość stosowania bez ryzyka przebicia elektrycznego,
-
odporność na łuk elektryczny i wyładowania koronowe – istotna przy pracy impulsowej i wysokich napięciach.
Najważniejsze pytania i nasze odpowiedzi:
Dlaczego ceramika nie przewodzi prądu, skoro przewodzi ciepło?
Ciepło w ceramice przenoszą fonony – czyli drgania atomów. Prąd wymaga swobodnych elektronów, których w ceramice nie ma.
Która ceramika najlepiej przewodzi ciepło?
Najwyższą przewodność cieplną mają: azotek boru (BN), azotek glinu (AlN) i węglik krzemu (SiC).
Czy ceramika może być przewodnikiem prądu?
Tylko w przypadku specjalnych odmian (np. ceramika półprzewodnikowa) – standardowa ceramika techniczna jest izolatorem.
Czy ceramika nadaje się do chłodzenia elementów elektronicznych?
Tak – wiele ceramik przewodzi ciepło równie skutecznie jak metale, ale izoluje elektrycznie, co jest istotne przy elektronice mocy.
W jakich komponentach stosowana jest ceramika techniczna?
W izolatorach HV, podkładkach do tranzystorów, płytkach chłodzących do LED i systemów impulsowych.
Potrzebujesz wytrzymałego materiału, który skutecznie rozprasza ciepło, ale jednocześnie nie przewodzi prądu? Zespół inżynieryjny CERAMIT pomoże dobrać ceramikę techniczną dopasowaną do Twojej aplikacji – od projektu prototypowego po produkcję seryjną. Napisz lub zadzwoń – wspólnie opracujemy optymalne rozwiązanie.
