Anwendung von Aluminiumnitridkeramik in der Luft- und Raumfahrt

---

Mit der rasanten Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnik werden die Leistungsanforderungen an die Werkstoffe immer höher, insbesondere bei Anwendungen unter hohen Temperaturen, hohem Druck, hohem Verschleiß und extremen Bedingungen. Aluminiumnitrid (AlN)-Keramik, ein keramisches Hochleistungsmaterial, hat aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften breite Anwendungsmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt.

Leistungsmerkmale von Aluminiumnitridkeramiken
Aluminiumnitrid-Keramik hat die folgenden hervorragenden Leistungsmerkmale:

1. Hohe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid-Keramik kann bis zu 320 W/(m - K) erreichen und ist damit wesentlich höher als die von herkömmlicher Aluminiumoxid-Keramik. Aufgrund dieser hohen Wärmeleitfähigkeit eignet sie sich gut für Anwendungen zur Wärmeableitung.
2. Geringer dielektrischer Verlust: Sein dielektrischer Verlust beträgt nur 1 × 10 -⁴ (bei 1 MHz) und ist somit für Hochfrequenzgeräte geeignet.
3. Gute mechanische Eigenschaften: Es hat eine hohe Biegefestigkeit, einen hohen Modul und eine hohe Härte und kann die strukturelle Integrität in Umgebungen mit hohen Temperaturen aufrechterhalten.
4. Niedriger Ausdehnungskoeffizient: Es passt gut zum thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Halbleitermaterialien wie Silizium und reduziert die thermische Belastung.
5. Nicht toxisch: Im Vergleich zu Berylliumoxid-Keramik ist Aluminiumnitrid-Keramik ungiftig und die Herstellung und Verwendung ist sicherer.

Spezifische Anwendungen von Aluminiumnitridkeramik im Bereich der Luft- und Raumfahrt

1. Hochtemperatur-Strukturkomponenten
   -Triebwerkskomponenten: Der hohe Schmelzpunkt (ca. 2200 ℃) und die hervorragende thermische Stabilität von Aluminiumnitridkeramik machen es zu einem idealen Werkstoff für die Herstellung von Hochtemperaturkomponenten wie Turbinenschaufeln und Brennkammern von Flugzeugtriebwerken. Diese Bauteile müssen eine hohe Festigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit in Hochtemperaturumgebungen aufweisen, und Aluminiumnitridkeramik kann die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Triebwerken erheblich verbessern.
   -Thermisches Schutzsystem: Im Wärmeschutzsystem von Raumfahrzeugen kann Aluminiumnitridkeramik zur Herstellung von Komponenten wie Hitzeschilden und Düsen verwendet werden, um die strukturelle Integrität von Raumfahrzeugen in Hochtemperaturumgebungen zu schützen.
2. Wärmemanagement von elektronischen Geräten
   -kupferbeschichtetes Substratmaterial: In Leistungsreglern für Raumfahrzeuge werden Aluminiumnitrid-Keramikplatten als wärmeleitende Substrate verwendet, die durch direktes Verbinden von Kupfer eine "Kupfer-Aluminiumnitrid-Kupfer"-Sandwichstruktur bilden, die thermische und elektrische Leitfähigkeit kombiniert. Diese Struktur ist in der Lage, Wärme effizient zu verteilen und zu leiten, was die Stabilität elektronischer Geräte im Hochleistungsbetrieb gewährleistet.
   -Elektronische Verpackungsmaterialien: Aluminiumnitridkeramik wird für die Verpackung von Hochleistungsgeräten verwendet, z. B. für den Kollektor, die Klemme und das Energieübertragungsfenster von Mikrowellenröhren. Ihr geringer dielektrischer Verlust und ihre hohe Wärmeleitfähigkeit können die Leistung und Zuverlässigkeit der Geräte effektiv verbessern.
3. Sensoren und Aktoren
   -Drucksensoren und Temperatursensoren: Die elektrische Isolierfähigkeit und die hohe Temperaturstabilität von Aluminiumnitridkeramiken machen sie zu idealen Materialien für die Herstellung von Sensoren in der Luft- und Raumfahrt. So können beispielsweise Hochtemperatur-Drucksensoren auf der Basis von Aluminiumnitrid-Dünnschichten für die Flugsteuerung von Raumfahrzeugen verwendet werden.
   Mikro-Elektro-Mechanische Systeme (MEMS): MEMS-Resonatoren auf Aluminiumnitridbasis zeichnen sich durch ihre geringe Größe, ihren hohen Qualitätsfaktor und ihre hohe Frequenz aus. Sie können Multifrequenzgeräte auf einem einzigen Chip integrieren und werden in der Luft- und Raumfahrt für Navigations- und Kontrollsysteme eingesetzt.
4. Verschleißfeste Beschichtungen und Verbundwerkstoffe
   -Verschleißfeste Beschichtung: Aluminiumnitridkeramik hat eine hohe Härte und eine gute Verschleißfestigkeit und kann als Beschichtungsmaterial auf die Oberfläche von Flugzeugkörpern gesprüht werden, um die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern und die Lebensdauer von Flugzeugen zu verlängern.
   -Verbundwerkstoffe auf Keramikbasis (CMC): Aluminiumnitridkeramik kann mit anderen Materialien kombiniert werden, um leichte, hochfeste und hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffe auf Keramikbasis herzustellen, die sich für die Fertigung von Triebwerkskomponenten und Rumpfstrukturen in der Luftfahrt eignen.
5. Hochfrequenzgeräte und optische Anwendungen
   -Hochfrequenzgeräte: Der niedrige dielektrische Verlust und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitridkeramik ermöglichen eine breite Anwendung in Hochfrequenzgeräten. So können z. B. Luft- und Raumfahrtgeräte wie Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Oszillatoren und Filter Aluminiumnitridresonatoren verwenden.
   -Optische Anwendungen: Aluminiumnitridkeramik kann auch für die Herstellung optischer und elektronischer Geräte, wie z. B. optische Fenster und Linsen, verwendet werden. Ihre hervorragende optische Leistung und Hochtemperaturstabilität erfüllen die besonderen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie.

Zukunftsperspektiven
Mit den kontinuierlichen Fortschritten in der Materialwissenschaft und der stetigen Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie wird sich der Anwendungsbereich von Aluminiumnitridkeramik weiter ausweiten. Es wird erwartet, dass Aluminiumnitridkeramik in Zukunft eine größere Rolle in den folgenden Bereichen spielen wird:

1. Effizienteres Wärmemanagementsystem: Durch die Optimierung von Materialformulierungen und Präparationsprozessen können die Wärmeleitfähigkeit und Stabilität von Aluminiumnitridkeramik weiter verbessert werden, um den Anforderungen an die Wärmeableitung von elektronischen Geräten mit höherer Leistung gerecht zu werden.
2. Integrierte Multifunktionsgeräte: Nutzung der verschiedenen hervorragenden Eigenschaften von Aluminiumnitridkeramik zur Entwicklung integrierter Bauteile, die Wärmeableitung, Isolierung, Sensorik und andere Funktionen integrieren, um die Systemleistung von Luft- und Raumfahrtgeräten zu verbessern.
3. Anwendungen in extremen Umgebungen: Untersuchung der Leistung von Aluminiumnitridkeramiken bei höheren Temperaturen, stärkerer Strahlung und komplexeren chemischen Umgebungen und Ausweitung ihrer Anwendungen in der Erforschung des Weltraums und bei Hyperschallfahrzeugen.

Aluminiumnitrid-Keramik entwickeln sich aufgrund ihrer hervorragenden Leistung und ihrer breiten Anwendungsmöglichkeiten zu einem unverzichtbaren Hightech-Werkstoff in der Luft- und Raumfahrtindustrie.