Det er velkendt, at aluminiumoxid er en vigtig aktør blandt termisk ledende fyldstoffer. -Al₂O₃ har en termisk ledningsevne på cirka 33-36 W/(m·K) og en volumenmodstand på omkring 10¹⁰ Ω·cm, hvilket gør det til et fremragende termisk ledende og elektrisk isolerende fyldstof. Partikelmorfologierne af -Al₂O₃ indbefatter sfæriske, flageformede, uregelmæssige multi-kantede, orme-lignende, ellipsoide og andre former; dens partikelstørrelse spænder fra nanoskala, submikron, til mikronskala; og dens partikelstruktur kan være polykrystallinsk eller enkelt-krystallinsk. Disse forskellige mikrostrukturer har en betydelig indvirkning på ydeevnen af termisk ledende materialer.
Almindelig aluminiumoxid kan på grund af sin overflade, der indeholder et stort antal hydroxylgrupper og er meget polær, kun fyldes i silikoneolier eller epoxyharpikser ved lav belastning, hvilket gør det vanskeligt at opfylde industrielle krav. Til sammenligning muliggør sfærisk aluminiumoxid en betydeligt højere fyldningsfraktion. Dens høje sfæriskhed og lave specifikke overfladeareal muliggør høj-densitetspakning, hvilket giver blandinger med lav viskositet og god flydendehed, som er nemme at sprede ensartet. Desuden besidder den fremragende elektrisk isolering, høj termisk stabilitet, lav termisk udvidelseskoefficient og gode mekaniske egenskaber, hvilket gør den velegnet til højtydende applikationer såsom elektronisk emballage.
Selvfølgelig, hvis termisk ledningsevne alene tages i betragtning, er flagealuminiumoxid det optimale valg. Flagepartikler kommer let i kontakt med hinanden for at danne "face-to-face" termiske ledningsbaner med lav modstand og høj termisk overførselseffektivitet. Samtidig binder deres glatte overflader let med polymere makromolekylære kæder for at danne tværbundne strukturer, der letter varmeoverførsel. Sådan flage-aluminiumoxid har også en justerbar termisk udvidelseskoefficient, som hjælper med at forbedre dimensionsstabiliteten af termiske grænsefladematerialer.
Men i den faktiske produktion har flage-aluminiumoxid en tendens til at øge viskositeten af polymersystemet, hvilket påvirker forarbejdningsydelsen og er tilbøjelig til sedimentering, hvilket fører til materialestratificering. Derfor kræver det højere formgivningsproceskrav, hvilket er hovedårsagen til dets relativt begrænsede anvendelse i termisk ledende silikonepuder.
Baseret på kravene til stabilitet, høj ydeevne og lave omkostninger i termisk ledende aluminiumoxidsystemer med forskellige morfologier, opnås således sammensatte termisk ledende aluminiumoxidfyldmaterialer -ved tæt pakning af sfæriske, kvasi-sfæriske og kantede aluminiumoxidfyldstoffer for at konstruere et termisk ledningsnetværk og derved forbedre den termiske ledningsgrænseflade. materialer- forventes at få udbredt anvendelse med stigende markedsefterspørgsel.
Med hensyn til renhed har standardaluminiumoxid typisk en renhed på omkring 99,8%. Men når den raffineres til 99,99 % høj-alumina, forbedres dens varmeledningsevne yderligere. Dette skyldes, at urenheder og defekter i aluminiumoxid forstyrrer den jævne strøm af fononer i gittervibrationer. En almindelig urenhed, der væsentligt påvirker varmeledningsevnen, er natrium; som et alkalimetal forårsager natrium forvrængning af krystalstrukturen og forhindrer derved varmestrømmen. Konventionelt aluminiumoxid kan have et natriumindhold på over 100 ppm, hvorimod aluminiumoxid med høj-renhed produceret via effektive og bæredygtige processer kan holde natriumindholdet under 10 ppm. På grund af dets lave urenhedsindhold og ensartede struktur muliggør aluminiumoxid med høj-renhed bedre fonontransport og leverer overlegen termisk ydeevne.
Men når strukturen af aluminiumoxid ændres til en porøs arkitektur, udviser den fremragende termisk isolering og ildfaste egenskaber. Hvorfor er dette? De vigtigste årsager er som følger:
På den ene side varierer den termiske ledningsevne af det samme materiale med temperaturen. Efterhånden som temperaturen i industrielle ovne stiger, falder den termiske ledningsevne af aluminiumoxid kontinuerligt; ved 1200 grader er dens varmeledningsevne omkring halvdelen af den ved 400 grader. Ikke desto mindre er aluminiumoxids termiske ledningsevne ved stuetemperatur 20-30 W/(m·K), og selv ved 1200 grader i en høj-temperaturovn kan den nå næsten 10 W/(m·K)-stadig højere end mange andre materialer. Derfor er isoleringsadfærden af aluminiumoxid grundlæggende på grund af ændringer i dets struktur.
Når aluminiumoxid anvendes som et termisk ledende materiale, kræver det generelt høj densitet og høj renhed for at minimere de glasagtige fasekomponenter, der opstår fra uordnede atomare eller ioniske arrangementer. Det mest karakteristiske træk ved aluminiumoxid som termisk isolator er dets porøse struktur med lav-densitet. Dens lave varmeledningsevne, høje mekaniske styrke og høje driftstemperatur gør den til et ideelt valg til ildfaste foringer i industrielle ovne.
Termiske isoleringsmaterialer undertrykker effektivt varmelednings-, konvektions- og strålingsvejene gennem deres unikke sammensætningsstruktur og opnår derved effektiv isolering. Varmeoverførsel i isoleringsmaterialer sker hovedsageligt gennem tre ruter: fast-termisk ledning, gas--fase termisk ledning og strålingsvarmeoverførsel. Blandt disse er fastfaseledning den vigtigste; selv ved relativt høje temperaturer udgør varme overført gennem den faste fase stadig omkring 70 %.
I sådanne porøse strukturer foregår fastfasevarmeledning hovedsageligt via to veje: Den ene er varmeoverførsel gennem gassen i porerne, hvilket inkluderer luftkonvektion, strålingsoverførsel og varmeoverførsel på grund af gasmolekylær bevægelse; den anden er stadig fastfase--overførsel, men varmestrømmens retning ændres, hvilket i høj grad forlænger den overordnede varmeoverførselsvej. Derfor kan porøs aluminiumoxidkeramik til en vis grad hæmme både termisk ledning og termisk stråling, hvilket effektivt giver termisk isolering.
Klassificering af nanoporøst alumina termiske isoleringsmaterialer
Nanoporøse varmeisoleringsmaterialer af aluminiumoxid omfatter hovedsageligt aerogel-isoleringsmaterialer af aluminiumoxid og nano-pressede isoleringsmaterialer af aluminiumoxid, blandt andre. De har lav tæthed, lav varmeledningsevne og høj-temperaturmodstand og har brede muligheder for anvendelse i industrier og rumfart.
Aluminiumoxid aerogel isoleringsmaterialer
Fremstillingsprocessen for aluminiumoxidaerogel inkluderer hovedsageligt soldannelse, gelering, ældning og tørringstrin.
Ved fremstillingen af aluminiumoxidaerogeler omdannes aluminiumsalte typisk først til en opløsning eller sol, som derefter gennemgår kemiske reaktioner for at danne en gel, og til sidst tørres gelen for at opnå aluminiumoxidaerogelen. Denne proces er centreret om sol-gelmetoden kombineret med forskellige tørreteknikker for at bevare den nanoporøse netværksstruktur. Oxid-aerogeler, der er fremstillet via sol-gelmetoden, tilbyder stærk procesfleksibilitet, overlegne prøveegenskaber og mere moden procesudvikling, hvilket gør dette til den primære retning for fremstilling af aluminiumoxidaerogel.
Nano-aluminiumoxid pressede isoleringsmaterialer
Nano-aluminiumoxid pressede isoleringsmaterialer består af en porøs struktur dannet af pakningen af nano-aluminiumoxidpartikler. De rigelige porer blokerer effektivt gass molekylære varmeledning; det faste skelet har lav varmeledningsevne; og partikelstørrelsen i nanoskala øger varmespredningen betydeligt, hvilket reducerer den termiske ledningsevne.
Forberedelsesmetoden for nano-aluminiumoxid pressede isoleringsmaterialer involverer hovedsageligt at kombinere nano-aluminiumoxidpulverpartikler som matrixen med forstærkende materialer for at udvikle højtydende isoleringsmaterialer. Forberedelsesteknikkerne kan bredt opdeles i tørformning og vådformning.
Tør formning: Tørformning udføres uden væsker eller med kun en lille mængde væske, hvor nano-matrix og forstærkningsmaterialer blandes og derefter tør-presses. Denne metode er mild, enkel at betjene og miljøvenlig. Specifikt blandes nano-pulvere, forstærkningsmaterialer, bindemidler og andre faste råmaterialer ensartet ved mekaniske midler, hvorefter blandingen fyldes i en form og presses under specifikke forhold ved hjælp af en presse for at opnå nano-kompositmaterialet.
Våd formning: Vådformning bruger nano-oxidpulver som råmateriale. Under blandingsprocessen tilsættes en væske såsom deioniseret vand som opløsningsmiddel. Ved mekanisk omrøring blandes råvarerne til en gylle med en vis flydendehed. Opslæmningen hældes derefter i en form, og opløsningsmidlet fjernes ved filtrering, tørring, varmebehandling eller andre metoder for at opnå nano-isoleringsmaterialet.
Nano-aluminiumoxidpressede isoleringsmaterialer fremstillet ved vådformning har rum-temperatur termisk ledningsevne svarende til den for tørre-formede materialer. Desuden giver tilstedeværelsen af opløsningsmiddel mulighed for mere ensartet blanding af råmaterialer, hvilket giver bedre dispergerbarhed; det er nemmere at styre gylleformuleringen og præcist justere parametre såsom koncentration.