Köztudott, hogy az alumínium-oxid a hővezető töltőanyagok egyik fő szereplője. Az . -Al₂O3 hővezető képessége körülbelül 33–36 W/(m·K), térfogat-ellenállása pedig körülbelül 10¹⁰ Ω·cm, így kiváló hővezető és elektromosan szigetelő töltőanyag. Az -Al2O3 részecskemorfológiája gömb alakú, pelyhes, szabálytalan, több-szögű, féregszerű, ellipszoid és egyéb formák; részecskemérete a nanoméretű, szubmikron és a mikron méretű; és részecskeszerkezete lehet polikristályos vagy egy{8}}kristályos. Ezek a különböző mikrostruktúrák jelentős hatással vannak a hővezető anyagok teljesítményére.
A közönséges alumínium-oxid nagyszámú hidroxilcsoportot tartalmazó felülete és erős polárossága miatt csak kis terhelés mellett tölthető szilikonolajba vagy epoxigyantába, ami megnehezíti az ipari igények kielégítését. Összehasonlításképpen, a gömb alakú alumínium-oxid lényegesen nagyobb töltési frakciót tesz lehetővé. Nagy gömbölyűsége és kis fajlagos felülete nagy-sűrűségű tömörítést tesz lehetővé, alacsony viszkozitású és jó folyékonyságú keverékeket eredményezve, amelyek könnyen egyenletesen diszpergálhatók. Ezen túlmenően kiváló elektromos szigeteléssel, nagy hőstabilitással, alacsony hőtágulási együtthatóval és jó mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik, így alkalmas nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, például elektronikus csomagoláshoz.
Természetesen, ha önmagában a hővezető képességet vesszük figyelembe, akkor a pelyhes alumínium-oxid az optimális választás. A pelyhes részecskék könnyen érintkeznek egymással, hogy "szemtől szemben" hővezető utakat alakítsanak ki, alacsony ellenállással és magas hőátadási hatékonysággal. Ugyanakkor sima felületük könnyen kötődik polimer makromolekuláris láncokhoz, és térhálósított struktúrákat alkotnak, amelyek elősegítik a hőátadást. Az ilyen pehely timföldnek állítható hőtágulási együtthatója is van, ami segít javítani a termikus interfész anyagok méretstabilitását.
A tényleges gyártás során azonban a pelyhes alumínium-oxid hajlamos megnövelni a polimerrendszer viszkozitását, ami befolyásolja a feldolgozási teljesítményt, és hajlamos az ülepedésre, ami anyagrétegződéshez vezet. Ezért magasabb alakítási eljárási követelményeket igényel, ami a fő oka annak, hogy viszonylag korlátozottan alkalmazható hővezető szilikon betétekben.
Így a különböző morfológiájú hővezető timföld rendszerekben a stabilitásra, a nagy teljesítményre és az alacsony költségre vonatkozó követelmények alapján a kompozit hővezető timföld töltőanyagok -a gömb alakú, kvázi-gömb alakú és szögletes alumínium-oxid töltőanyagok sűrű csomagolásával érhetők el, és ezáltal hővezetési hálózatot hoznak létre, és ezáltal javítják a hővezetési hálózat várható hővezető képességét. széles körben elterjedt alkalmazás, növekvő piaci kereslet mellett.
A tisztaság tekintetében a standard alumínium-oxid tisztasága jellemzően körülbelül 99,8%. Ha azonban 99,99%-os nagy-tisztaságú alumínium-oxidra finomítják, a hővezető képessége tovább javul. Ennek az az oka, hogy az alumínium-oxid szennyeződései és hibái megzavarják a fononok egyenletes áramlását a rácsrezgésekben. A hővezető képességet jelentősen befolyásoló gyakori szennyeződés a nátrium; alkálifémként a nátrium torzítja a kristályszerkezetet, ezáltal akadályozza a hőáramlást. A hagyományos timföld nátriumtartalma meghaladhatja a 100 ppm-et, míg a hatékony és fenntartható eljárásokkal előállított nagy-tisztaságú timföld 10 ppm alatt tudja tartani a nátriumtartalmat. Alacsony szennyezőanyag-tartalmának és egységes szerkezetének köszönhetően a nagy{11}}tisztaságú alumínium-oxid jobb fononszállítást tesz lehetővé, és kiváló hőteljesítményt biztosít.
De amikor az alumínium-oxid szerkezete porózus szerkezetté változik, kiváló hőszigetelő és tűzálló tulajdonságokat mutat. Miért van ez? A fő okok a következők:
Egyrészt ugyanannak az anyagnak a hővezető képessége a hőmérséklet függvényében változik. Az ipari kemencék hőmérsékletének emelkedésével az alumínium-oxid hővezető képessége folyamatosan csökken; 1200 fokon a hővezető képessége nagyjából a fele a 400 fokosnak. Ennek ellenére az alumínium-oxid hővezető képessége szobahőmérsékleten 20–30 W/(m·K), és még 1200 fokon is magas hőmérsékletű kemencében elérheti a közel 10 W/(m·K)- értéket, ami még mindig magasabb, mint sok más anyagé. Ezért az alumínium-oxid szigetelő viselkedése alapvetően a szerkezetében bekövetkezett változásoknak köszönhető.
Ha alumínium-oxidot használnak hővezető anyagként, általában nagy sűrűségre és nagy tisztaságra van szükség ahhoz, hogy minimálisra csökkentsék a rendezetlen atomi vagy ionos elrendeződésekből származó üvegfázisú komponenseket. A timföldnek mint hőszigetelőnek a legmeghatározóbb tulajdonsága azonban a porózus, alacsony sűrűségű szerkezete. Alacsony hővezető képessége, nagy mechanikai szilárdsága és magas üzemi hőmérséklete ideális választássá teszik az ipari kemencék tűzálló burkolatához.
A hőszigetelő anyagok egyedülálló összetételi szerkezetük révén hatékonyan elnyomják a hővezetés, a konvekció és a sugárzás útját, ezáltal hatékony szigetelést érnek el. A hőátadás a szigetelőanyagokban főként három úton megy végbe: szilárd-fázisú hővezetés, gáz-fázisú hővezetés és sugárzó hőátadás. Ezek közül a szilárd{4}}fázisú vezetés a legfontosabb; még viszonylag magas hőmérsékleten is a szilárd fázison áthaladó hő körülbelül 70%-át teszi ki.
Az ilyen porózus szerkezetekben a szilárd fázisú hővezetés főként két úton megy végbe: az egyik a pórusokon belüli gázon keresztüli hőátadás, amely magában foglalja a légkonvekciót, a sugárzási átvitelt és a gáz molekulamozgásából adódó hőátadást; a másik továbbra is szilárd-fázisú átvitel, de a hőáramlás iránya megváltozik, ami jelentősen meghosszabbítja a teljes hőátadási utat. Ezért a porózus alumínium-oxid kerámiák bizonyos mértékig akadályozhatják mind a hővezetést, mind a hősugárzást, hatékonyan biztosítva a hőszigetelést.
A nanopórusos timföld hőszigetelő anyagok osztályozása
A nanopórusos alumínium-oxid hőszigetelő anyagok közé tartoznak többek között az alumínium-oxid aerogél szigetelőanyagok és a nano-timföld sajtolt szigetelőanyagok. Alacsony sűrűségük, alacsony hővezető képességük és magas hőmérsékletállóságuk{2}} van, és széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az iparban és a repülőgépiparban.
Alumínium-oxid aerogél szigetelőanyagok
Az alumínium-oxid aerogélek előállítási folyamata főként szolképzést, gélesedést, öregítést és szárítást foglal magában.
Az alumínium-oxid aerogélek előállítása során az alumíniumsókat általában először oldattá vagy szollá alakítják, amely ezután kémiai reakciókon megy keresztül, és gél keletkezik, végül a gélt megszárítják, így alumínium-oxid aerogélt kapnak. Ennek a folyamatnak a középpontjában a szol-gél módszer áll, amelyet különböző szárítási technikákkal kombinálnak a nanopórusos hálózatszerkezet megőrzése érdekében. A szol-gél módszerrel előállított oxid-aerogélek nagy folyamatrugalmasságot, kiváló mintatulajdonságokat és érettebb folyamatfejlesztést kínálnak, így ez az alumínium-oxid aerogél-előállítás elsődleges iránya.
Nano{0}}alumínium-oxid préselt szigetelőanyagok
A nano-alumínium-oxid préselt szigetelőanyagok porózus szerkezetből állnak, amelyet nano-alumínium-oxid részecskék töltenek be. A bőséges pórusok hatékonyan blokkolják a gázmolekuláris hővezetést; a szilárd váz alacsony hővezető képességgel rendelkezik; a nanoméretű részecskeméret pedig jelentősen növeli a hőszórást, csökkenti a hővezető képességet.
A nano-alumínium-oxid préselt szigetelőanyagok előkészítési módszere főként a nano-alumínium-oxid porszemcsék mátrixként való kombinálását foglalja magában erősítő anyagokkal, hogy nagy teljesítményű szigetelőanyagokat állítsanak elő. Az előállítási technikák nagy vonalakban száraz alakításra és nedves alakításra oszthatók.
Száraz alakítás: A szárazalakítás folyadékok nélkül vagy csak kis mennyiségű folyadékkal történik, ahol a nano{0}}mátrixot és az erősítő anyagokat összekeverik, majd szárazon-préselik. Ez a módszer kíméletes, egyszerűen kezelhető és környezetbarát. Pontosabban, a nano-porokat, erősítőanyagokat, kötőanyagokat és egyéb szilárd nyersanyagokat mechanikai úton egyenletesen összekeverik, majd a keveréket öntőformába töltik, és meghatározott körülmények között préseléssel előállítják a nano-kompozit anyagot.
Nedves alakítás: A nedves alakítás nano{0}}oxidporokat használ alapanyagként. A keverési folyamat során oldószerként folyadékot, például ionmentesített vizet adnak hozzá. A nyersanyagokat mechanikus keveréssel bizonyos folyékonyságú szuszpenzióvá keverik. A szuszpenziót ezután öntőformába öntik, és az oldószert szűréssel, szárítással, hőkezeléssel vagy más módszerrel eltávolítják a nano-oxid szigetelőanyag előállítása érdekében.
A nedves alakítással előállított nano-alumínium-oxid préselt szigetelőanyagok szobahőmérsékletű-hővezető képessége hasonló a szárazon-formázott anyagokéhoz. Ezenkívül az oldószer jelenléte lehetővé teszi a nyersanyagok egyenletesebb keverését, jobb diszpergálhatóságot biztosítva; könnyebb szabályozni a hígtrágya összetételét és pontosan beállítani a paramétereket, például a koncentrációt.