Det er velkjent at alumina er en viktig aktør blant varmeledende fyllstoffer. -Al₂O₃ har en termisk ledningsevne på omtrent 33–36 W/(m·K) og en volumresistivitet på omtrent 10¹⁰ Ω·cm, noe som gjør det til et utmerket termisk ledende og elektrisk isolerende fyllstoff. Partikkelmorfologiene til -Al₂O₃ inkluderer sfæriske, flakformede, uregelmessige multi-kantede, orm--lignende, ellipsoidale og andre former; dens partikkelstørrelse varierer fra nanoskala, submikron, til mikronskala; og dens partikkelstruktur kan være polykrystallinsk eller enkelt-krystallinsk. Disse forskjellige mikrostrukturene har en betydelig innvirkning på ytelsen til termisk ledende materialer.
Vanlig aluminiumoksyd, på grunn av sin overflate som inneholder et stort antall hydroksylgrupper og er svært polar, kan kun fylles i silikonoljer eller epoksyharpikser ved lav belastning, noe som gjør det vanskelig å møte industrielle krav. Til sammenligning gir sfærisk alumina en betydelig høyere fyllingsfraksjon. Dens høye sfærisitet og lave spesifikke overflate muliggjør pakking med høy-tetthet, som gir blandinger med lav viskositet og god flyt som er enkle å spre jevnt. I tillegg har den utmerket elektrisk isolasjon, høy termisk stabilitet, lav termisk ekspansjonskoeffisient og gode mekaniske egenskaper, noe som gjør den egnet for høy-applikasjoner som elektronisk emballasje.
Selvfølgelig, hvis termisk ledningsevne alene vurderes, er flak-aluminium det optimale valget. Flakpartikler kommer lett i kontakt med hverandre for å danne "ansikt-til-ansikt" varmeledningsveier med lav motstand og høy termisk overføringseffektivitet. Samtidig binder deres glatte overflater seg lett til polymere makromolekylære kjeder for å danne tverrbundne strukturer som letter varmeoverføring. Slikt flak-aluminiumoksyd har også en justerbar termisk ekspansjonskoeffisient, som bidrar til å forbedre dimensjonsstabiliteten til termiske grensesnittmaterialer.
I faktisk produksjon har imidlertid flak-aluminiumoksyd en tendens til å øke viskositeten til polymersystemet, noe som påvirker prosessytelsen, og er utsatt for sedimentering, noe som fører til materialstratifisering. Derfor krever den høyere formingsprosesskrav, som er hovedårsaken til dens relativt begrensede bruk i termisk ledende silikonputer.
Basert på kravene til stabilitet, høy ytelse og lave kostnader i termisk ledende aluminiumoksydsystemer med forskjellige morfologier, oppnås derfor sammensatte termisk ledende aluminiumoksydfyllmaterialer-ved tett pakking av sfæriske, kvasi-sfæriske og kantete aluminiumoksydfyllstoffer for å konstruere et termisk ledningsnettverk og dermed forbedre varmeledningsnettverket. materialer- forventes å få utbredt bruk, med økende markedsetterspørsel.
Når det gjelder renhet, har standard aluminiumoksyd typisk en renhet på ca. 99,8%. Men når den raffineres til 99,99 % høy-alumina, forbedres dens varmeledningsevne ytterligere. Dette er fordi urenheter og defekter i alumina forstyrrer den jevne flyten av fononer i gittervibrasjoner. En vanlig urenhet som i betydelig grad påvirker varmeledningsevnen er natrium; som et alkalimetall forårsaker natrium forvrengning av krystallstrukturen, og hindrer derved varmestrømmen. Konvensjonell alumina kan ha et natriuminnhold som overstiger 100 ppm, mens aluminiumoksyd med høy-renhet produsert via effektive og bærekraftige prosesser kan holde natriuminnholdet under 10 ppm. På grunn av det lave innholdet av urenheter og den ensartede strukturen, gir aluminiumoksyd med høy{11}}renhet bedre fonontransport og gir overlegen termisk ytelse.
Men når strukturen til alumina endres til en porøs arkitektur, viser den utmerket termisk isolasjon og ildfaste egenskaper. Hvorfor er dette? Hovedårsakene er som følger:
På den ene siden varierer den termiske ledningsevnen til det samme materialet med temperaturen. Ettersom temperaturen i industrielle ovner stiger, reduseres den termiske ledningsevnen til alumina kontinuerlig; ved 1200 grader er dens varmeledningsevne omtrent halvparten av den ved 400 grader. Aluminas varmeledningsevne ved romtemperatur er likevel 20–30 W/(m·K), og selv ved 1200 grader i en høy-temperaturovn kan den nå nesten 10 W/(m·K)-ennå høyere enn mange andre materialer. Derfor er den isolerende oppførselen til alumina grunnleggende på grunn av endringer i strukturen.
Når aluminiumoksyd brukes som et termisk ledende materiale, krever det generelt høy tetthet og høy renhet for å minimere de glassaktige fasekomponentene som oppstår fra uordnede atomære eller ioniske arrangementer. Imidlertid er det mest karakteristiske trekk ved alumina som termisk isolator dens porøse struktur med lav-tetthet. Dens lave varmeledningsevne, høye mekaniske styrke og høye driftstemperatur gjør den til et ideelt valg for ildfaste foringer i industrielle ovner.
Termiske isolasjonsmaterialer undertrykker effektivt veiene for varmeledning, konveksjon og stråling gjennom deres unike sammensetningsstruktur, og oppnår derved effektiv isolasjon. Varmeoverføring i isolasjonsmaterialer skjer hovedsakelig gjennom tre ruter: fast-varmeledning, gass-fase termisk ledning og strålingsvarmeoverføring. Blant disse er fastfaseledning den viktigste; selv ved relativt høye temperaturer utgjør varme som overføres gjennom den faste fasen fortsatt ca. 70 %.
I slike porøse strukturer foregår fastfasevarmeledning hovedsakelig via to baner: den ene er varmeoverføring gjennom gassen i porene, som inkluderer luftkonveksjon, strålingsoverføring og varmeoverføring på grunn av gassmolekylær bevegelse; den andre er fortsatt solid-faseoverføring, men retningen på varmestrømmen endres, noe som i stor grad utvider den totale varmeoverføringsbanen. Derfor kan porøs alumina-keramikk til en viss grad hindre både termisk ledning og termisk stråling, og effektivt gi termisk isolasjon.
Klassifisering av nanoporøse alumina varmeisolasjonsmaterialer
Nanoporøse termiske isolasjonsmaterialer av aluminiumoksyd inkluderer blant annet isolasjonsmaterialer av aluminiumoksyd aerogel og nano-aluminiumoksyd presset isolasjonsmateriale. De har lav tetthet, lav varmeledningsevne og høy-temperaturmotstand, og har brede bruksmuligheter i industri og romfart.
Alumina aerogel isolasjonsmaterialer
Fremstillingsprosessen av aluminiumoksyd aerogel inkluderer hovedsakelig soldannelse, gelering, aldring og tørketrinn.
Ved fremstilling av aluminiumoksyd-aerogeler blir aluminiumsalter vanligvis først omdannet til en løsning eller sol, som deretter gjennomgår kjemiske reaksjoner for å danne en gel, og til slutt tørkes gelen for å oppnå aluminiumoxyd-aerogelen. Denne prosessen er sentrert om sol-gelmetoden, kombinert med forskjellige tørketeknikker for å bevare den nanoporøse nettverksstrukturen. Oksyd-aerogeler fremstilt via sol-gel-metoden tilbyr sterk prosessfleksibilitet, overlegne prøveegenskaper og mer moden prosessutvikling, noe som gjør dette til den primære retningen for forberedelse av aerogel av aluminiumoksyd.
Nano-alumina presset isolasjonsmateriale
Nano-aluminapresset isolasjonsmateriale består av en porøs struktur dannet av pakking av nano-aluminiumoksidpartikler. De rikelige porene blokkerer effektivt gassmolekylær varmeledning; det faste skjelettet har lav varmeledningsevne; og partikkelstørrelsen i nanoskala øker varmespredningen betydelig, og reduserer termisk ledningsevne.
Forberedelsesmetoden for nano-aluminiumoksydpressede isolasjonsmaterialer innebærer hovedsakelig å kombinere nano-aluminiumoksydpulverpartikler som matrisen med forsterkende materialer for å utvikle isolasjonsmaterialer med høy-ytelse. Fremstillingsteknikkene kan grovt deles inn i tørrforming og våtforming.
Tørr forming: Tørrforming utføres uten væsker eller med kun en liten mengde væske, hvor nano-matrisen og forsterkende materialer blandes og deretter tørkes-presset. Denne metoden er mild, enkel å betjene og miljøvennlig. Nærmere bestemt blandes nano-pulver, forsterkende materialer, bindemidler og andre faste råmaterialer jevnt på mekanisk måte, deretter fylles blandingen i en form og presses under spesifikke forhold ved hjelp av en presse for å oppnå nano-komposittmaterialet.
Våtforming: Våtforming bruker nano-oksidpulver som råmateriale. Under blandingsprosessen tilsettes en væske som avionisert vann som løsningsmiddel. Gjennom mekanisk omrøring blandes råvarene til en slurry med en viss flyt. Oppslemmingen helles deretter i en form, og løsningsmidlet fjernes ved filtrering, tørking, varmebehandling eller andre metoder for å oppnå nano-oksidisolasjonsmaterialet.
Nano-aluminapresset isolasjonsmateriale produsert ved våtforming har rom-temperatur termisk ledningsevne som ligner på tørre-formede materialer. Dessuten tillater tilstedeværelsen av løsningsmiddel mer jevn blanding av råmaterialer, noe som gir bedre dispergerbarhet; det er lettere å kontrollere slurryformuleringen og nøyaktig justere parametere som konsentrasjon.