Ιστορία επιτυχίας πελάτη
Υψηλή απόδοση μέσω ακρίβειας:Κεραμικά: Διασφάλιση ποιότητας στην παραγωγή τεχνικών κεραμικών
Μια επιτυχημένη ιστορία πελάτη από την ομάδα εργαστηρίων του τμήματος καινοτομίας και τεχνολογίας του Ομίλου CeramTec
Τα τεχνικά κεραμικά προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Για να χρησιμοποιηθούν αξιόπιστα, πρέπει να ελεγχθεί η ποιότητα των υλικών. Η CeramTec βασίζεται εδώ και πολλά χρόνια στην τεχνογνωσία του NETZSCH- είτε σε έργα ανάπτυξης, είτε στη διαδικασία παραγωγής, είτε στη σειριακή παραγωγή, οι αναλυτές NETZSCH χρησιμοποιούνται συνεχώς.
Διαφορές στα κεραμικά υψηλής απόδοσης
Ο όρος "προηγμένα κεραμικά" καλύπτει ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών, ενίοτε εξαιρετικά εξειδικευμένων κεραμικών υλικών με μοναδικές μηχανικές, θερμικές, βιοχημικές και ηλεκτρικές ιδιότητες - και συνδυασμούς αυτών. Μπορεί να γίνει διάκριση μεταξύ τριών ομάδων υλικών large: Πυριτικά κεραμικά, κεραμικά οξειδίων και κεραμικά μη οξειδίων. Τα πυριτικά κεραμικά αποτελούνται κυρίως από φυσικές πρώτες ύλες σε συνδυασμό με οξείδιο του αργιλίου. Τα κεραμικά οξειδίων περιλαμβάνουν υλικά που βασίζονται σε οξείδια μετάλλων. Τα μη οξειδωτικά κεραμικά αναφέρονται στην ομάδα των κεραμικών υλικών που βασίζονται σε ενώσεις άνθρακα, αζώτου και πυριτίου. Η ομάδα από την οποία προέρχεται ένα υλικό selectεξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή και τις απαιτήσεις που προκύπτουν για το υλικό.
Κεραμικά υποστρώματα: Για ηλεκτρονικές εφαρμογές
Το υπόστρωμα είναι το βασικό υλικό ενός φορέα κυκλώματος, για το οποίο διατίθενται διάφορα υλικά. Λόγω των ηλεκτρικών, θερμικών, μηχανικών, μονωτικών και χημικών ιδιοτήτων τους, τα υποστρώματα από κεραμικά υψηλής απόδοσης χρησιμοποιούνται σε πολυάριθμες βιομηχανίες και τομείς εφαρμογών - για παράδειγμα στην ηλεκτροκίνηση οχημάτων, την ηλεκτρονική κινητικότητα, τη βιομηχανία και την παραγωγή ενέργειας. Η CeramTec είναι ένα ευρωπαϊκό one-stop shop για όλα τα κοινά κεραμικά υποστρώματα: οξείδιο του αλουμινίου, νιτρίδιο του αλουμινίου, ενισχυμένο με οξείδιο του ζιρκονίου οξείδιο του αλουμινίου, οξείδιο του ζιρκονίου και, από το 2024, επίσης νιτρίδιο του πυριτίου. Κάθε υπόστρωμα έχει διαφορετικές ιδιότητες (βλ. σχήμα 1). Το νιτρίδιο του αλουμινίου, για παράδειγμα, έχει ιδιαίτερα υψηλή θερμική αγωγιμότητα 170 W/(m-K), η οποία επηρεάζει τις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του κεραμικού υποστρώματος. Μια υψηλή θερμική αγωγιμότητα σημαίνει, για παράδειγμα, ότι η θερμότητα που παράγεται από το αντιδραστικό ρεύμα στα ηλεκτρονικά ισχύος μειώνεται και ότι η απαγωγή θερμότητας είναι ομοιογενής και διαρκώς μειωμένη. Πρόκειται για ιδιότητες που ζητούνται ιδιαίτερα στα ηλεκτρονικά υψηλής απόδοσης, όπως στη βιομηχανία ημιαγωγών, όπου ο στόχος είναι η παραγωγή μέγιστης ισχύος σε ελάχιστο χώρο. Η παραγόμενη θερμότητα πρέπει να διαχέεται γρήγορα και αξιόπιστα. Η CeramTec κατασκευάζει και επεξεργάζεται κεραμικά υποστρώματα χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεθόδους ανάλογα με την εφαρμογή, το υλικό, τη γεωμετρία και την ποσότητα - είναι σφραγισμένα, με λέιζερ ή με ξηρή πρέσα.
Δημιουργώντας καινοτομίες, ελέγχοντας την ποιότητα
Το Τμήμα Καινοτομίας και Τεχνολογίας της CeramTec ερευνά συνεχώςarches και αναπτύσσει υλικά και διαδικασίες παραγωγής για νέα προϊόντα. Το Τμήμα Εφαρμογών ταινιών και υποστρωμάτων επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων κεραμικών υποστρωμάτων και στη βελτιστοποίησή τους. Ένα επιτυχημένο παράδειγμα: Το νέο AIN HP (Aluminum Nitride High Performance) προσφέρει σημαντικά υψηλότερη αντοχή σε κάμψη από άλλα υλικά υποστρώματος, διατηρώντας παράλληλα τις θερμικές του ιδιότητες. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για συνεχή φόρτιση σε μονάδες ισχύος και χρησιμοποιείται στην παραγωγή και διανομή ενέργειας, στην ηλεκτροδότηση οχημάτων και στους μετατροπείς ισχύος στην κατασκευή σιδηροδρομικών οχημάτων. Οι συνεχείς δοκιμές στο εργαστήριο αποτελούν ουσιαστικό μέρος των εργασιών της ομάδας research και της ανάπτυξης. Αρχικά, χαρακτηρίζονται οι πρώτες ύλες και οι κεραμικές μάζες που παράγονται από αυτές. Μετά τη διαδικασία διαμόρφωσης, προσδιορίζονται οι θερμικές παράμετροι των πράσινων ταινιών. Ακολουθούν μετρήσεις στο πυροσυσσωματωμένο υπόστρωμα. Ανάλογα με τη μέτρηση, αυτές μπορεί να είναι πολύπλοκες και να διαρκέσουν έως και 36 ώρες.
Ωστόσο, οι μετρήσεις δεν πραγματοποιούνται μόνο για αναπτυξιακά έργα- στον ποιοτικό έλεγχο αποτελούν επίσης μέρος της διαδικασίας παραγωγής ή της απελευθέρωσης σειράς. Για παράδειγμα, τα υποστρώματα ελέγχονται για τη θερμική αγωγιμότητα ή τη διηλεκτρική τους αντοχή: Τα δείγματα που μετρώνται πρέπει να αντιστοιχούν στις τυπικές τυποποιημένες τιμές για το υλικό. Αυτό συμβαίνει επειδή ένα πράγμα είναι πολύ σημαντικό για την CeramTec: Να μπορούν οι πελάτες να βασίζονται στο προϊόν τους που διαθέτει τις συμφωνημένες ιδιότητες του υλικού.
Είσοδος στο εργαστήριο: AIN
Όταν πρόκειται για τη μέτρηση των θερμικών ιδιοτήτων, η ομάδα βασίζεται στην τεχνογνωσία του NETZSCH. Οι σταθερά θετικές εμπειρίες, η εγγύτητα των τοποθεσιών και η άριστη εξυπηρέτηση οδήγησαν στη χρήση όλο και περισσότερων τεχνολογιών μέτρησης NETZSCH. Μια επισκόπηση της τεχνολογίας που χρησιμοποιείται για τη θερμική ανάλυση παρουσιάζεται στην εικόνα 4.
Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η θερμική αγωγιμότητα επηρεάζει τις μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες ενός κεραμικού υποστρώματος. Για να διερευνηθεί αυτό, εξετάζεται πρώτα η θερμική διαχυτότητα. Δείχνει πόσο γρήγορα αντιδρά ένα υλικό σε μια αλλαγή θερμοκρασίας και είναι μια ιδιότητα που εξαρτάται από το υλικό. Η CeramTec ελέγχει τη θερμική διαχυτότητα για κεραμικά υποστρώματα όπως το AIN στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας το NETZSCH LFA 447Nanoflash. Για το σκοπό αυτό, η ομάδα του εργαστηρίου προετοιμάζει το δοκίμιο δοκιμής στη μορφή που καθορίζεται για τη συσκευή δοκιμής και το επικαλύπτει με γραφίτη. Η αγωγιμότητα μπορεί στη συνέχεια να μετρηθεί σε ένα εύρος θερμοκρασιών από 20°C έως 300°C.
Στα σχήματα 5α και 5β παρουσιάζεται σύγκριση της αύξησης της θερμότητας με την πάροδο του χρόνου μετά την εφαρμογή ενέργειας σε ένα κεραμικό οξείδιο (σχήμα 5α) και σε ένα κεραμικό νιτρίδιο (σχήμα 5β): Η αύξηση της θερμότητας είναι μεγαλύτερη για το κεραμικό νιτριδίου. Η θερμική αγωγιμότητα μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί από τη μετρούμενη θερμική διάχυση καθώς και από την ειδική θερμοχωρητικότητα και την πυκνότητα του υλικού:
Για τα κεραμικά νιτριδίου του αλουμινίου, αυτό έχει ως αποτέλεσμα θερμικές αγωγιμότητες άνω των 170 W/(m-K), ανάλογα με τον τύπο του υλικού. Ανάλογα με την εφαρμογή, το κεραμικό απαιτεί είτε χαμηλή είτε υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Ειδικά στην περίπτωση των ημιαγωγών ισχύος, οι οποίοι παράγουν υψηλές θερμοκρασίες, η θερμότητα πρέπει να διαχέεται γρήγορα και αξιόπιστα.
Η θερμική ανάλυση περιλαμβάνει επίσης την εξέταση του συντελεστή θερμικής διαστολής (Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE). Η θερμική διαστολή δείχνει πώς μεταβάλλονται οι γεωμετρικές διαστάσεις ενός σώματος με τη θερμοκρασία. Αυτή η γνώση είναι σημαντική για τον υπολογισμό της θερμικής αναντιστοιχίας σε συνδυασμούς υλικών, για παράδειγμα. Ένας επακριβώς προσδιορισμένος Συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE/CTE)Ο συντελεστής γραμμικής θερμικής διαστολής (CLTE) περιγράφει τη μεταβολή του μήκους ενός υλικού σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία.CTE είναι επίσης σημαντικός για τη μεταλλοποίηση και τη συσκευασία, προκειμένου να γνωρίζουμε τις ανοχές των εξωτερικών διαστάσεων ενός υποστρώματος, για παράδειγμα. Η CeramTec προσδιορίζει τον συντελεστή θερμικής διαστολής των πυροσυσσωματωμένων υλικών στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας τα NETZSCH DIL 402 E και DIL 402 Expedis διαστολόμετρα. Η θερμική διαστολή ενός κεραμικού σώματος μπορεί να διερευνηθεί στην περιοχή θερμοκρασιών έως 2000°C. Επιπλέον, τα dilatometers προσφέρουν τη δυνατότητα διεξαγωγής μετρήσεων υπό διαφορετικές ατμόσφαιρες - όπως αέρας, άζωτο ή αργό - μέσω ελέγχου αερίου. Αυτό είναι σημαντικό προκειμένου να είναι δυνατή η διεξαγωγή μετρήσεων στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, για παράδειγμα. Το λογισμικό ανάλυσης Proteus® παρέχει υποστήριξη για την αξιολόγηση της καμπύλης μέτρησης και τον προσδιορισμό της θερμικής διαστολής σε διάφορα τμήματα θερμοκρασίας.
Η θερμοβαρυμετρική μέτρηση αποτελεί επίσης μέρος της θερμικής ανάλυσης. Χρησιμοποιείται κυρίως για τη διερεύνηση εξώθερμων και ενδόθερμων αντιδράσεων καθώς και μεταβολών βάρους σε πρώτες ύλες (σκόνες, συνδετικά και οργανικά υλικά) στον αέρα και σε πράσινες ταινίες στον αέρα ή στο άζωτο. Η CeramTec χρησιμοποιεί διάφορα συστήματα NETZSCH STA για αυτές τις μετρήσεις.
Η θερμοχωρητικότητα περιγράφει πώς μεταβάλλεται η μετρούμενη θερμοκρασία ενός σώματος σε σχέση με την ποσότητα θερμότητας που προστίθεται σε αυτό. Η CeramTec την προσδιορίζει για τα πυροσυσσωματωμένα υλικά χρησιμοποιώντας το NETZSCH DSC 300 Caliris®.
Μια άλλη εργαστηριακή εργασία σε σχέση με τις θερμικές παραμέτρους είναι η υπερύψωση της διαδικασίας παραγωγής, δεδομένου ότι η καμπύλη θερμοκρασίας περιγράφει τη θερμοκρασία του κλιβάνου και συνεπώς τη θερμοκρασία της διαδικασίας πυροσυσσωμάτωσης. Για παράδειγμα, το διαστομόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό των σταδίων πυροσυσσωμάτωσης.
Έτοιμοι για κορυφαίες επιδόσεις
Όταν ένα υπόστρωμα βγαίνει από την παραγωγή της CeramTec, έχει δοκιμαστεί εκτενώς: είναι έτοιμο για χρήση σε ηλεκτρικές εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας και για την αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων του υλικού του. Οι εργαστηριακές αναλύσεις είναι απαραίτητες όχι μόνο για τον ποιοτικό έλεγχο, αλλά και για την ανάπτυξη νέων καινοτόμων προϊόντων. NETZSCH είναι ένας σημαντικός συνεργάτης της CeramTec από αυτή την άποψη.
Αγαπητή εργαστηριακή ομάδα της Ceramtec - Σας ευχαριστούμε πολύ για τις ενδιαφέρουσες πληροφορίες σχετικά με το έργο σαςarch. Είμαστε ευτυχείς να συνεισφέρουμε με τις αναλυτικές συσκευές μας και στο μέλλον.