Este bine cunoscut faptul că alumina este un jucător important printre materialele de umplutură conductoare termic. -Al₂O₃ are o conductivitate termică de aproximativ 33–36 W/(m·K) și o rezistivitate de volum de aproximativ 10¹⁰ Ω·cm, făcându-l un material de umplutură excelent conductiv termic și izolator electric. Morfologiile particulelor de -Al₂O₃ includ forme sferice, fulgi, multi-unghiulare, vierme-, elipsoidale și alte forme; dimensiunea particulelor sale variază de la scară nanometrică, submicronică la scară micronică; iar structura sa de particule poate fi policristalină sau mono-cristalină. Aceste microstructuri diferite au un impact semnificativ asupra performanței materialelor conductoare termic.
Alumina obișnuită, datorită suprafeței sale care conține un număr mare de grupe hidroxil și este foarte polară, poate fi umplută numai cu uleiuri siliconice sau rășini epoxidice la încărcări mici, ceea ce face dificilă satisfacerea cerințelor industriale. În comparație, alumina sferică permite o fracție de umplere considerabil mai mare. Sfericitatea sa ridicată și suprafața specifică redusă permit împachetarea cu densitate mare-, producând amestecuri cu vâscozitate scăzută și fluiditate bună care sunt ușor de dispersat uniform. În plus, posedă o izolație electrică excelentă, stabilitate termică ridicată, coeficient scăzut de dilatare termică și proprietăți mecanice bune, făcându-l potrivit pentru aplicații de-performanță ridicată, cum ar fi ambalajele electronice.
Desigur, dacă se ia în considerare numai conductivitatea termică, fulgi de alumină este alegerea optimă. Particulele de fulgi contactează cu ușurință unele cu altele pentru a forma căi de conducere termică „față în față” cu rezistență scăzută și eficiență ridicată a transferului termic. În același timp, suprafețele lor netede se leagă cu ușurință de lanțurile macromoleculare polimerice pentru a forma structuri-încrucișate care facilitează transferul de căldură. O astfel de fulgi de alumină are, de asemenea, un coeficient de dilatare termică reglabil, care ajută la îmbunătățirea stabilității dimensionale a materialelor de interfață termică.
Cu toate acestea, în producția reală, fulgi de alumină tinde să crească vâscozitatea sistemului polimeric, afectând performanța de procesare și este predispusă la sedimentare, ceea ce duce la stratificarea materialului. Prin urmare, necesită cerințe mai mari ale procesului de formare, care este principalul motiv pentru aplicarea sa relativ limitată în plăcuțele din silicon conductoare termic.
Astfel, pe baza cerințelor de stabilitate, de înaltă performanță și de costuri reduse în sistemele de alumină termoconductoare cu morfologii diferite, materiale de umplutură de alumină compozite conductoare termic-obținute prin ambalarea densă a materialelor de umplutură de alumină sferice, cvasi-sferice și unghiulare pentru a construi o conductivitate termică a rețelei și a materialelor de conductivitate termică a rețelei}2}termice; se așteaptă să obțină o aplicare pe scară largă, cu o cerere în creștere pe piață.
În ceea ce privește puritatea, alumina standard are de obicei o puritate de aproximativ 99,8%. Cu toate acestea, atunci când este rafinată la 99,99% alumină de puritate ridicată-, conductivitatea sa termică se îmbunătățește și mai mult. Acest lucru se datorează faptului că impuritățile și defectele din alumină interferează cu fluxul lin al fononilor în vibrațiile rețelei. O impuritate comună care afectează semnificativ conductivitatea termică este sodiul; ca metal alcalin, sodiul provoacă deformarea structurii cristaline, împiedicând astfel fluxul de căldură. Alumina convențională poate avea un conținut de sodiu care depășește 100 ppm, în timp ce alumina de-puritate ridicată produsă prin procese eficiente și durabile poate menține conținutul de sodiu sub 10 ppm. Datorită conținutului scăzut de impurități și structurii uniforme, alumina de înaltă puritate-permite un transport mai bun al fononilor și oferă performanțe termice superioare.
Dar atunci când structura aluminei se schimbă într-o arhitectură poroasă, aceasta prezintă o izolație termică excelentă și proprietăți refractare. De ce este asta? Principalele motive sunt următoarele:
Pe de o parte, conductivitatea termică a aceluiași material variază în funcție de temperatură. Pe măsură ce temperatura în cuptoarele industriale crește, conductivitatea termică a aluminei scade continuu; la 1200 de grade, conductivitatea sa termică este aproximativ jumătate din cea de la 400 de grade. Cu toate acestea, conductivitatea termică a aluminei la temperatura camerei este de 20–30 W/(m·K) și chiar și la 1200 de grade într-un cuptor cu temperatură ridicată, poate atinge aproape 10 W/(m·K)-mai mult decât multe alte materiale. Prin urmare, comportamentul izolator al aluminei se datorează în mod fundamental modificărilor în structura sa.
Când alumina este utilizată ca material conductiv termic, în general necesită o densitate mare și o puritate ridicată pentru a minimiza componentele de fază sticloasă care decurg din aranjamente atomice sau ionice dezordonate. Cu toate acestea, cea mai distinctivă trăsătură a aluminei ca izolator termic este structura sa poroasă, cu densitate redusă-. Conductivitatea sa termică scăzută, rezistența mecanică ridicată și temperatura ridicată de serviciu îl fac alegerea ideală pentru căptușelile refractare din cuptoarele industriale.
Materialele de izolare termică suprimă în mod eficient căile de conducție a căldurii, convecție și radiație prin structura lor unică de compoziție, obținând astfel o izolație eficientă. Transferul de căldură în materialele izolante are loc în principal prin trei căi: conducție termică în fază solidă-, conducție termică în fază gazoasă- și transfer termic radiativ. Dintre acestea, conducția în fază solidă-este cea mai importantă; chiar și la temperaturi relativ ridicate, căldura transferată prin faza solidă reprezintă încă aproximativ 70%.
În astfel de structuri poroase, conducția căldurii în fază solidă-se realizează în principal prin două căi: una este transferul de căldură prin gazul din pori, care include convecția aerului, transferul radiativ și transferul de căldură datorită mișcării moleculare a gazului; celălalt este încă un transfer de fază-solid, dar direcția fluxului de căldură este modificată, extinzând foarte mult calea generală de transfer de căldură. Prin urmare, ceramica poroasă de alumină poate, într-o anumită măsură, să împiedice atât conducția termică, cât și radiația termică, oferind eficient izolație termică.
Clasificarea materialelor termoizolante din alumină nanoporoasă
Materialele de izolare termică din alumină nanoporoasă includ în principal materiale de izolare cu aerogel de alumină și materiale de izolare din nano-alumină presată, printre altele. Acestea prezintă o densitate scăzută, conductivitate termică scăzută și rezistență la temperatură ridicată-și au perspective largi de aplicare în industrii și aerospațiu.
Materiale de izolare cu aerogel din alumină
Procesul de preparare a aerogelurilor de alumină include în principal formarea solului, gelificarea, îmbătrânirea și uscare.
La prepararea aerogelurilor de alumină, sărurile de aluminiu sunt de obicei transformate mai întâi într-o soluție sau sol, care apoi suferă reacții chimice pentru a forma un gel și, în final, gelul este uscat pentru a obține aerogelul de alumină. Acest proces este centrat pe metoda sol-gel, combinată cu diferite tehnici de uscare pentru a păstra structura rețelei nanoporoase. Aerogelurile de oxid preparate prin metoda sol-gel oferă o flexibilitate puternică a procesului, proprietăți superioare ale eșantionului și o dezvoltare mai matură a procesului, făcând din aceasta direcția principală pentru prepararea aerogelului de alumină.
Materiale izolante presate din nano-alumină
Materialele izolatoare din nano-alumină presată constau dintr-o structură poroasă formată prin împachetarea particulelor de nano-alumină. Porii abundenți blochează eficient conducția de căldură moleculară a gazului; scheletul solid are conductivitate termică scăzută; iar dimensiunea particulelor la scară nanometrică crește semnificativ împrăștierea căldurii, reducând conductivitatea termică.
Metoda de preparare a materialelor izolatoare presate cu nano-alumină implică în principal combinarea particulelor de pulbere de nano{-alumină ca matrice cu materiale de armare pentru a dezvolta materiale izolatoare de-înaltă performanță. Tehnicile de preparare pot fi împărțite în linii mari în formare uscată și formare umedă.
Formare uscată: formarea uscată se efectuează fără lichide sau doar cu o cantitate mică de lichid, unde nano-matricea și materialele de armare sunt amestecate și apoi presate-uscat. Această metodă este ușoară, ușor de utilizat și ecologică. Mai exact, nano-pulberile, materialele de armare, lianții și alte materii prime solide sunt amestecate uniform prin mijloace mecanice, apoi amestecul este încărcat într-o matriță și presat în condiții specifice folosind o presă pentru a obține materialul nano-compozit.
Formare umedă: formarea umedă folosește pulberi de nano-oxid ca materii prime. În timpul procesului de amestecare, un lichid, cum ar fi apa deionizată, este adăugat ca solvent. Prin agitare mecanică, materiile prime sunt amestecate într-o suspensie cu o anumită fluiditate. Suspensia este apoi turnată într-o matriță, iar solventul este îndepărtat prin filtrare, uscare, tratament termic sau alte metode pentru a obține materialul izolator de nano-oxid.
Materialele izolatoare presate cu nano-alumină produse prin formare umedă au o conductivitate termică la-cameră, similară cu cea a materialelor-formate uscate. În plus, prezența solventului permite o amestecare mai uniformă a materiilor prime, oferind o mai bună dispersibilitate; este mai ușor să controlați formularea suspensiei și să ajustați cu precizie parametri precum concentrația.