Het is bekend dat aluminiumoxide een belangrijke speler is onder de thermisch geleidende vulstoffen.. -Al₂O₃ heeft een thermische geleidbaarheid van ongeveer 33–36 W/(m·K) en een volumeweerstand van ongeveer 10¹⁰ Ω·cm, waardoor het een uitstekend thermisch geleidend en elektrisch isolerend vulmiddel is. De deeltjesmorfologieën van -Al₂O₃ omvatten bolvormige, vlokvormige, onregelmatige meer-hoekige, worm-achtige, ellipsvormige en andere vormen; de deeltjesgrootte varieert van nanoschaal, submicron tot micronschaal; en de deeltjesstructuur ervan kan polykristallijn of enkelvoudig-kristallijn zijn. Deze verschillende microstructuren hebben een aanzienlijke impact op de prestaties van thermisch geleidende materialen.
Gewone aluminiumoxide kan, omdat het oppervlak een groot aantal hydroxylgroepen bevat en zeer polair is, alleen bij lage belastingen in siliconenoliën of epoxyharsen worden gevuld, waardoor het moeilijk wordt om aan de industriële eisen te voldoen. Ter vergelijking: bolvormig aluminiumoxide maakt een aanzienlijk hogere vulfractie mogelijk. De hoge bolvorm en het lage specifieke oppervlak maken een pakking met hoge-dichtheid mogelijk, waardoor mengsels met een lage viscositeit en goede vloeibaarheid worden verkregen die gemakkelijk en gelijkmatig kunnen worden gedispergeerd. Bovendien beschikt het over uitstekende elektrische isolatie, hoge thermische stabiliteit, lage thermische uitzettingscoëfficiënt en goede mechanische eigenschappen, waardoor het geschikt is voor toepassingen met hoge-prestaties, zoals elektronische verpakkingen.
Als alleen de thermische geleidbaarheid in aanmerking wordt genomen, is aluminiumoxidevlokken natuurlijk de optimale keuze. Vlokdeeltjes komen gemakkelijk met elkaar in contact en vormen "van aangezicht tot aangezicht" thermische geleidingsbanen met lage weerstand en hoge thermische overdrachtsefficiëntie. Tegelijkertijd binden hun gladde oppervlakken zich gemakkelijk met macromoleculaire polymeerketens om kruis-verbonden structuren te vormen die warmteoverdracht vergemakkelijken. Dergelijk vlokaluminiumoxide heeft ook een instelbare thermische uitzettingscoëfficiënt, wat de maatvastheid van thermische grensvlakmaterialen helpt verbeteren.
Bij de daadwerkelijke productie heeft aluminiumoxidevlokken echter de neiging de viscositeit van het polymeersysteem te verhogen, waardoor de verwerkingsprestaties worden beïnvloed, en is het gevoelig voor sedimentatie, wat leidt tot materiaalstratificatie. Daarom stelt het hogere eisen aan het vormingsproces, wat de belangrijkste reden is voor de relatief beperkte toepassing ervan in thermisch geleidende siliconenkussentjes.
Gebaseerd op de vereisten voor stabiliteit, hoge prestaties en lage kosten in thermisch geleidende aluminiumoxidesystemen met verschillende morfologieën, zullen samengestelde thermisch geleidende aluminiumoxide-vulmaterialen -die worden bereikt door dicht opeengepakte sferische, quasi- sferische en hoekige aluminiumoxide-vulstoffen om een thermisch geleidingsnetwerk te construeren en daardoor de thermische geleidbaarheid van thermische interfacematerialen te verbeteren, naar verwachting op grote schaal worden toegepast, met een groeiende marktvraag.
In termen van zuiverheid heeft standaard aluminiumoxide doorgaans een zuiverheid van ongeveer 99,8%. Wanneer het echter wordt verfijnd tot 99,99% hoog-zuiver aluminiumoxide, verbetert de thermische geleidbaarheid ervan nog verder. Dit komt omdat onzuiverheden en defecten in aluminiumoxide de soepele stroom van fononen in roostertrillingen verstoren. Een veel voorkomende onzuiverheid die de thermische geleidbaarheid aanzienlijk beïnvloedt, is natrium; als alkalimetaal veroorzaakt natrium vervorming van de kristalstructuur, waardoor de warmtestroom wordt belemmerd. Conventioneel aluminiumoxide kan een natriumgehalte van meer dan 100 ppm hebben, terwijl hoog-alumina geproduceerd via efficiënte en duurzame processen het natriumgehalte onder de 10 ppm kan houden. Dankzij het lage gehalte aan onzuiverheden en de uniforme structuur maakt aluminiumoxide met een hoge zuiverheid een beter fonontransport mogelijk en levert het superieure thermische prestaties.
Maar wanneer de structuur van aluminiumoxide verandert in een poreuze architectuur, vertoont het uitstekende thermische isolatie en vuurvaste eigenschappen. Waarom is dit? De belangrijkste redenen zijn als volgt:
Aan de ene kant varieert de thermische geleidbaarheid van hetzelfde materiaal met de temperatuur. Naarmate de temperatuur in industriële ovens stijgt, neemt de thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide voortdurend af; bij 1200 graden is de thermische geleidbaarheid ongeveer de helft van die bij 400 graden. Niettemin bedraagt de thermische geleidbaarheid van aluminiumoxide bij kamertemperatuur 20-30 W/(m·K), en zelfs bij 1200 graden in een hoge- temperatuuroven kan deze bijna 10 W/(m·K)- bereiken, nog steeds hoger dan bij veel andere materialen. Daarom is het isolatiegedrag van aluminiumoxide fundamenteel te wijten aan veranderingen in de structuur ervan.
Wanneer aluminiumoxide wordt gebruikt als thermisch geleidend materiaal, vereist het in het algemeen een hoge dichtheid en hoge zuiverheid om de glasachtige fasecomponenten die voortkomen uit ongeordende atomaire of ionische rangschikkingen tot een minimum te beperken. Het meest onderscheidende kenmerk van aluminiumoxide als thermische isolator is echter de poreuze structuur met lage- dichtheid. De lage thermische geleidbaarheid, hoge mechanische sterkte en hoge gebruikstemperatuur maken het een ideale keuze voor vuurvaste bekledingen in industriële ovens.
Thermische isolatiematerialen onderdrukken effectief de routes van warmtegeleiding, convectie en straling door hun unieke samenstellingsstructuur, waardoor een efficiënte isolatie wordt bereikt. Warmteoverdracht in isolatiematerialen vindt hoofdzakelijk plaats via drie routes: thermische geleiding in de vaste-fase, thermische geleiding in de gas-fase en stralingswarmteoverdracht. Hiervan is vaste-fasegeleiding de belangrijkste; zelfs bij relatief hoge temperaturen is de warmteoverdracht via de vaste fase nog steeds verantwoordelijk voor ongeveer 70%.
In dergelijke poreuze structuren verloopt de warmtegeleiding in de vaste -fase voornamelijk via twee paden: de ene is warmteoverdracht door het gas in de poriën, waaronder luchtconvectie, stralingsoverdracht en warmteoverdracht als gevolg van moleculaire gasbeweging; de andere is nog steeds vaste-faseoverdracht, maar de richting van de warmtestroom is veranderd, waardoor het totale warmteoverdrachtspad aanzienlijk wordt verlengd. Daarom kan poreus aluminiumoxide-keramiek tot op zekere hoogte zowel thermische geleiding als thermische straling belemmeren, waardoor op effectieve wijze thermische isolatie wordt geboden.
Classificatie van nanoporeuze aluminiumoxide thermische isolatiematerialen
Nanoporeuze aluminiumoxide thermische isolatiematerialen omvatten onder meer aluminiumoxide aerogelisolatiematerialen en nano-aluminiumoxide geperste isolatiematerialen. Ze hebben een lage dichtheid, een lage thermische geleidbaarheid en een hoge-temperatuurbestendigheid, en bieden brede toepassingsmogelijkheden in de industrie en de lucht- en ruimtevaart.
Aluminiumoxide aerogel-isolatiematerialen
Het bereidingsproces van aluminiumoxide-aerogels omvat voornamelijk solvorming, gelering, veroudering en droogstappen.
Bij de bereiding van aluminiumoxide-aerogels worden aluminiumzouten doorgaans eerst omgezet in een oplossing of sol, die vervolgens chemische reacties ondergaat om een gel te vormen, en ten slotte wordt de gel gedroogd om de aluminiumoxide-aerogel te verkrijgen. Dit proces is gericht op de sol-gel-methode, gecombineerd met verschillende droogtechnieken om de nanoporeuze netwerkstructuur te behouden. Oxide-aerogels bereid via de sol-gel-methode bieden een sterke procesflexibiliteit, superieure monstereigenschappen en een meer volwassen procesontwikkeling, waardoor dit de primaire richting is voor de bereiding van aluminiumoxide-aerogels.
Nano-aluminiumoxide geperste isolatiematerialen
Geperste nano-aluminiumoxide-isolatiematerialen bestaan uit een poreuze structuur die wordt gevormd door de pakking van nano-aluminiumoxidedeeltjes. De overvloedige poriën blokkeren effectief de moleculaire warmtegeleiding van gas; het massieve skelet heeft een lage thermische geleidbaarheid; en de deeltjesgrootte op nanoschaal verhoogt de warmteverstrooiing aanzienlijk, waardoor de thermische geleidbaarheid wordt verminderd.
De bereidingsmethode voor geperste nano-aluminiumoxide-isolatiematerialen omvat hoofdzakelijk het combineren van nano-aluminiumoxidepoederdeeltjes als matrix met versterkende materialen om hoogwaardige- isolatiematerialen te ontwikkelen. De bereidingstechnieken kunnen grofweg worden onderverdeeld in droogvervormen en natvervormen.
Droog vormen: Droogvervormen wordt uitgevoerd zonder vloeistoffen of met slechts een kleine hoeveelheid vloeistof, waarbij de nano-matrix en versterkende materialen worden gemengd en vervolgens droog- worden geperst. Deze methode is mild, eenvoudig te bedienen en milieuvriendelijk. Concreet worden nano-poeders, versterkingsmaterialen, bindmiddelen en andere vaste grondstoffen gelijkmatig gemengd met mechanische middelen, waarna het mengsel in een mal wordt geladen en onder specifieke omstandigheden met een pers wordt geperst om het nano-composietmateriaal te verkrijgen.
Natte vorming: Bij natvormen worden nano-oxidepoeders als grondstof gebruikt. Tijdens het mengproces wordt een vloeistof zoals gedeïoniseerd water als oplosmiddel toegevoegd. Door mechanisch roeren worden de grondstoffen gemengd tot een slurry met een zekere vloeibaarheid. De slurry wordt vervolgens in een mal gegoten en het oplosmiddel wordt verwijderd door filtratie, drogen, warmtebehandeling of andere methoden om het nano-oxide-isolatiemateriaal te verkrijgen.
Nano-aluminiumoxide geperste isolatiematerialen geproduceerd door nat vervormen hebben een thermische geleidbaarheid bij kamertemperatuur-die vergelijkbaar is met die van droog-gevormde materialen. Bovendien zorgt de aanwezigheid van oplosmiddel voor een meer uniforme menging van grondstoffen, wat een betere dispergeerbaarheid oplevert; het is gemakkelijker om de slurryformulering te controleren en parameters zoals concentratie nauwkeurig aan te passen.