Ir labi zināms, ka alumīnija oksīds ir galvenais siltumvadīto pildvielu . -Al₂O3 siltumvadītspēja aptuveni 33–36 W/(m·K) un tilpuma pretestība aptuveni 10¹⁰ Ω·cm, padarot to par izcilu siltumvadošu un elektriski izolējošu pildvielu. -Al₂O3 daļiņu morfoloģijas ir sfēriskas, pārslveida, neregulāras daudzstūrainas, tārpveida-, elipsoidālas un citas formas; tā daļiņu izmērs svārstās no nanomēroga, submikronu līdz mikronu mērogam; un tā daļiņu struktūra var būt polikristāliska vai viena{8}kristāliska. Šīm dažādajām mikrostruktūrām ir būtiska ietekme uz siltumvadīto materiālu veiktspēju.
Parasto alumīnija oksīdu, jo tā virsma satur lielu skaitu hidroksilgrupu un ir ļoti polāra, var iepildīt tikai silikona eļļās vai epoksīdsveķos ar zemu slodzi, kas apgrūtina rūpniecisko prasību izpildi. Salīdzinājumam, sfēriskais alumīnija oksīds nodrošina ievērojami lielāku pildījuma frakciju. Tā augstā sfēriskums un zemais īpatnējais virsmas laukums nodrošina augsta-blīvuma iepakošanu, iegūstot maisījumus ar zemu viskozitāti un labu plūstamību, ko ir viegli vienmērīgi izkliedēt. Turklāt tai ir lieliska elektriskā izolācija, augsta termiskā stabilitāte, zems termiskās izplešanās koeficients un labas mehāniskās īpašības, kas padara to piemērotu augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, elektroniskajam iepakojumam.
Protams, ja ņem vērā tikai siltumvadītspēju, alumīnija oksīda pārslas ir optimālā izvēle. Pārslu daļiņas viegli saskaras viena ar otru, veidojot "aci pret aci" siltuma vadīšanas ceļus ar zemu pretestību un augstu siltuma pārneses efektivitāti. Tajā pašā laikā to gludās virsmas viegli saistās ar polimēru makromolekulārām ķēdēm, veidojot savstarpēji saistītas struktūras, kas atvieglo siltuma pārnesi. Šādam alumīnija oksīdam ir arī regulējams termiskās izplešanās koeficients, kas palīdz uzlabot termiskās saskarnes materiālu izmēru stabilitāti.
Tomēr faktiskajā ražošanā alumīnija oksīda pārslām ir tendence palielināt polimēru sistēmas viskozitāti, ietekmējot apstrādes veiktspēju, un tai ir nosliece uz sedimentāciju, kas izraisa materiāla noslāņošanos. Tāpēc tam ir vajadzīgas augstākas formēšanas procesa prasības, kas ir galvenais iemesls tās salīdzinoši ierobežotajai izmantošanai siltumvadītspējīgos silikona paliktņos.
Tādējādi, pamatojoties uz prasībām par stabilitāti, augstu veiktspēju un zemām izmaksām siltumvadītspējīgās alumīnija oksīda sistēmās ar dažādu morfoloģiju, saliktie siltumvadoši alumīnija oksīda pildmateriāli -panākti, blīvi iesaiņojot sfēriskas, kvazi-sfēriskas un leņķiskas alumīnija oksīda pildvielas, lai izveidotu siltumvadītspējas tīklu un tādējādi uzlabotu siltumvadītspējas tīklu un tādējādi palielinātu siltumvadītspēju. plaši izplatīts pielietojums, pieaugot tirgus pieprasījumam.
Runājot par tīrību, standarta alumīnija oksīda tīrība parasti ir aptuveni 99,8%. Tomēr, rafinējot līdz 99,99% augstas-tīrības alumīnija oksīda, tā siltumvadītspēja vēl vairāk uzlabojas. Tas ir tāpēc, ka alumīnija oksīda piemaisījumi un defekti traucē vienmērīgu fononu plūsmu režģa vibrācijās. Izplatīts piemaisījums, kas būtiski ietekmē siltumvadītspēju, ir nātrijs; kā sārmu metāls nātrijs izraisa kristāla struktūras kropļojumus, tādējādi kavējot siltuma plūsmu. Parastā alumīnija oksīda nātrija saturs var pārsniegt 100 ppm, savukārt augstas -tīrības pakāpes alumīnija oksīds, kas ražots, izmantojot efektīvus un ilgtspējīgus procesus, var uzturēt nātrija saturu zem 10 ppm. Pateicoties zemajam piemaisījumu saturam un vienveidīgajai struktūrai, augstas{11}}tīrības pakāpes alumīnija oksīds nodrošina labāku fononu transportēšanu un nodrošina izcilu siltuma veiktspēju.
Bet, kad alumīnija oksīda struktūra mainās uz porainu arhitektūru, tai ir lieliskas siltumizolācijas un ugunsizturīgas īpašības. Kāpēc tas tā ir? Galvenie iemesli ir šādi:
No vienas puses, viena un tā paša materiāla siltumvadītspēja mainās atkarībā no temperatūras. Paaugstinoties temperatūrai rūpnieciskajās krāsnīs, alumīnija oksīda siltumvadītspēja nepārtraukti samazinās; 1200 grādu temperatūrā tā siltumvadītspēja ir aptuveni puse no 400 grādiem. Neskatoties uz to, alumīnija oksīda siltumvadītspēja istabas temperatūrā ir 20–30 W/(m·K), un pat 1200 grādos augstas temperatūras krāsnī tā var sasniegt gandrīz 10 W/(m·K)-joprojām augstāka nekā daudziem citiem materiāliem. Tāpēc alumīnija oksīda izolācijas īpašības galvenokārt ir saistītas ar izmaiņām tā struktūrā.
Ja alumīnija oksīdu izmanto kā siltumvadošu materiālu, tam parasti ir nepieciešams augsts blīvums un augsta tīrība, lai samazinātu stiklveida fāzes komponentus, kas rodas no nesakārtotiem atomu vai jonu izvietojumiem. Tomēr alumīnija oksīda kā siltumizolatora raksturīgākā iezīme ir tā poraina, zema blīvuma struktūra. Tā zemā siltumvadītspēja, augstā mehāniskā izturība un augstā darba temperatūra padara to par ideālu izvēli ugunsizturīgām oderēm rūpnieciskajās krāsnīs.
Siltumizolācijas materiāli efektīvi nomāc siltuma vadīšanas, konvekcijas un starojuma ceļus, izmantojot to unikālo kompozīcijas struktūru, tādējādi panākot efektīvu izolāciju. Siltuma pārnešana izolācijas materiālos galvenokārt notiek trīs veidos: cietā-fāzes siltumvadītspēja, gāzes-fāzes siltuma vadīšana un starojuma siltuma pārnese. No tiem vissvarīgākā ir cietās fāzes vadītspēja; pat salīdzinoši augstās temperatūrās siltums, kas pārnests caur cieto fāzi, joprojām veido apmēram 70%.
Šādās porainās struktūrās cietā -fāzes siltuma vadīšana notiek galvenokārt pa diviem ceļiem: viens ir siltuma pārnese caur gāzi porās, kas ietver gaisa konvekciju, starojuma pārnesi un siltuma pārnesi gāzes molekulārās kustības dēļ; otrs joprojām ir cieta{1}}fāzes pārnese, bet siltuma plūsmas virziens ir mainīts, ievērojami paplašinot kopējo siltuma pārneses ceļu. Tāpēc porainā alumīnija oksīda keramika zināmā mērā var kavēt gan siltumvadītspēju, gan siltuma starojumu, efektīvi nodrošinot siltumizolāciju.
Nanoporaino alumīnija oksīda siltumizolācijas materiālu klasifikācija
Nanoporainie alumīnija oksīda siltumizolācijas materiāli cita starpā galvenokārt ir alumīnija oksīda aerogela izolācijas materiāli un nano-alumīnija oksīda presēti izolācijas materiāli. Tiem ir zems blīvums, zema siltumvadītspēja un augsta -temperatūras izturība, un tiem ir plašas pielietojuma iespējas rūpniecībā un kosmosa jomā.
Alumīnija aerogela izolācijas materiāli
Alumīnija oksīda aerogēlu sagatavošanas process galvenokārt ietver sola veidošanos, želeju, novecošanu un žāvēšanu.
Gatavojot alumīnija oksīda aerogēlus, alumīnija sāļus parasti vispirms pārvērš šķīdumā vai solā, kas pēc tam tiek pakļauts ķīmiskām reakcijām, veidojot želeju, un visbeidzot želeju žāvē, lai iegūtu alumīnija oksīda aerogelu. Šis process ir vērsts uz sol-gela metodi, kas apvienota ar dažādām žāvēšanas metodēm, lai saglabātu nanoporaino tīkla struktūru. Oksīda aerogēli, kas sagatavoti, izmantojot sol-gela metodi, piedāvā spēcīgu procesa elastību, izcilas parauga īpašības un nobriedušāku procesa attīstību, padarot to par galveno virzienu alumīnija oksīda aerogela sagatavošanai.
Nano{0}}alumīnija oksīda presēti izolācijas materiāli
Nano-alumīnija oksīda presētie izolācijas materiāli sastāv no porainas struktūras, ko veido nano-alumīnija oksīda daļiņas. Bagātīgās poras efektīvi bloķē gāzes molekulāro siltuma vadīšanu; cietajam skeletam ir zema siltumvadītspēja; un nanomēroga daļiņu izmērs ievērojami palielina siltuma izkliedi, samazinot siltumvadītspēju.
Nano{0}}alumīnija oksīda presēto izolācijas materiālu sagatavošanas metode galvenokārt ietver nano-alumīnija oksīda pulvera daļiņu kā matricas apvienošanu ar pastiprinošiem materiāliem, lai izveidotu augstas veiktspējas izolācijas materiālus. Sagatavošanas paņēmienus var plaši iedalīt sausajā formēšanā un mitrajā formēšanā.
Sausā formēšana: Sausā formēšana tiek veikta bez šķidrumiem vai tikai ar nelielu šķidruma daudzumu, kur nano{0}}matrica un pastiprinošie materiāli tiek sajaukti un pēc tam nospiesti sausā veidā. Šī metode ir viegla, vienkārši lietojama un videi draudzīga. Konkrēti, nano-pulveri, pastiprinošie materiāli, saistvielas un citas cietās izejvielas tiek vienmērīgi sajauktas ar mehāniskiem līdzekļiem, pēc tam maisījumu ievieto veidnē un īpašos apstākļos presē, izmantojot presi, lai iegūtu nano-kompozītmateriālu.
Mitrā formēšana: mitrajā formēšanā kā izejvielas tiek izmantoti nano{0}}oksīda pulveri. Sajaukšanas procesā kā šķīdinātāju pievieno šķidrumu, piemēram, dejonizētu ūdeni. Mehāniski maisot, izejvielas tiek sajauktas vircā ar noteiktu plūstamību. Pēc tam vircu ielej veidnē un šķīdinātāju atdala, filtrējot, žāvējot, termiski apstrādājot vai izmantojot citas metodes, lai iegūtu nano-oksīda izolācijas materiālu.
Nano-alumīnija oksīda presētajiem izolācijas materiāliem, kas ražoti slapjā formēšanas ceļā, telpas temperatūras siltumvadītspēja ir līdzīga sausai -veidotu materiālu siltumvadītspējai. Turklāt šķīdinātāja klātbūtne ļauj vienmērīgāk sajaukt izejvielas, nodrošinot labāku izkliedējamību; ir vieglāk kontrolēt vircas sastāvu un precīzi pielāgot tādus parametrus kā koncentrācija.