Добре відомо, що глинозем є основним гравцем серед теплопровідних наповнювачів. -Al₂O₃ має теплопровідність приблизно 33–36 Вт/(м·К) і питомий об’ємний опір приблизно 10¹⁰ Ом·см, що робить його чудовим теплопровідним і електроізоляційним наповнювачем. Морфології частинок -Al₂O₃ включають сферичну, лускоподібну, неправильну багато-кутну, червоподібну-подібну, еліпсоїдну та інші форми; розмір його частинок коливається від нанорозміру, субмікрона до мікрона; і його структура частинок може бути полікристалічної або одно-кристалічної. Ці різні мікроструктури мають значний вплив на характеристики теплопровідних матеріалів.
Звичайний оксид алюмінію, оскільки його поверхня містить велику кількість гідроксильних груп і є високополярною, може бути заповнений силіконовими маслами або епоксидними смолами лише при низьких навантаженнях, що ускладнює задоволення промислових потреб. Для порівняння, сферичний глинозем дозволяє значно вищу частку наповнення. Його висока сферичність і низька питома поверхня забезпечують високу -щільність упаковки, утворюючи суміші з низькою в’язкістю та хорошою текучістю, які легко диспергувати рівномірно. Крім того, він має чудову електроізоляцію, високу термічну стабільність, низький коефіцієнт теплового розширення та хороші механічні властивості, що робить його придатним для високо-застосувань, таких як електронне пакування.
Звичайно, якщо розглядати лише теплопровідність, то лускатий глинозем є оптимальним вибором. Частинки пластівців легко контактують одна з одною, утворюючи шляхи теплопровідності «обличчя--обличчя» з низьким опором і високою ефективністю теплопередачі. У той же час їх гладкі поверхні легко зв’язуються з полімерними макромолекулярними ланцюгами, утворюючи поперечно-зв’язані структури, які сприяють теплопередачі. Такий лусковий оксид алюмінію також має регульований коефіцієнт теплового розширення, що допомагає покращити стабільність розмірів матеріалів теплового розділу.
Однак у реальному виробництві пластівчастий оксид алюмінію має тенденцію збільшувати в’язкість полімерної системи, впливаючи на ефективність обробки, і схильний до седиментації, що призводить до розшарування матеріалу. Тому він вимагає більш високих вимог до процесу формування, що є основною причиною його відносно обмеженого застосування в теплопровідних силіконових прокладках.
Таким чином, виходячи з вимог до стабільності, високої продуктивності та низької вартості теплопровідних систем оксиду алюмінію з різними морфологіями, очікується, що композиційні теплопровідні наповнювачі з оксиду алюмінію-досягаються щільним упакуванням сферичних, квазі-сферичних і кутових наповнювачів з оксиду алюмінію для побудови теплопровідної мережі та, таким чином, покращують теплопровідність матеріалів теплового інтерфейсу-. із зростаючим попитом на ринку.
З точки зору чистоти, стандартний оксид алюмінію зазвичай має чистоту близько 99,8%. Однак при рафінуванні до 99,99% високо-глинозему його теплопровідність ще більше покращується. Це пояснюється тим, що домішки та дефекти оксиду алюмінію заважають плавному потоку фононів у коливаннях гратки. Поширеною домішкою, що істотно впливає на теплопровідність, є натрій; як лужний метал, натрій викликає спотворення кристалічної структури, тим самим перешкоджаючи потоку тепла. Звичайний глинозем може мати вміст натрію понад 100 частин на мільйон, тоді як високо-глинозем, вироблений за допомогою ефективних і стійких процесів, може підтримувати вміст натрію нижче 10 частин на мільйон. Завдяки низькому вмісту домішок і однорідній структурі високо{11}}глинозем забезпечує кращий транспорт фононів і забезпечує чудові теплові характеристики.
Але коли структура оксиду алюмінію змінюється на пористу, він демонструє чудові теплоізоляційні та вогнетривкі властивості. чому це Основні причини такі:
З одного боку, теплопровідність одного і того ж матеріалу змінюється залежно від температури. З підвищенням температури в промислових печах теплопровідність глинозему постійно знижується; при 1200 градусах його теплопровідність становить приблизно половину від показника при 400 градусах. Тим не менш, теплопровідність глинозему за кімнатної температури становить 20–30 Вт/(м·К), і навіть за 1200 градусів у високо-температурній печі вона може досягати майже 10 Вт/(м·К)-все ще вище, ніж у багатьох інших матеріалів. Таким чином, ізоляційна поведінка глинозему в основному зумовлена змінами в його структурі.
Коли оксид алюмінію використовується як теплопровідний матеріал, зазвичай потрібна висока щільність і висока чистота, щоб мінімізувати компоненти склоподібної фази, що виникають через невпорядковане розташування атомів або іонів. Однак найвідмітнішою особливістю глинозему як теплоізолятора є його пориста структура з низькою -щільністю. Його низька теплопровідність, висока механічна міцність і висока робоча температура роблять його ідеальним вибором для вогнетривкої футеровки в промислових печах.
Теплоізоляційні матеріали ефективно пригнічують шляхи теплопровідності, конвекції та випромінювання завдяки своїй унікальній композиційній структурі, завдяки чому досягається ефективна ізоляція. Передача тепла в ізоляційних матеріалах відбувається в основному трьома шляхами: теплопровідність у твердій-фазі, теплопровідність у-газовій фазі та радіаційна теплопередача. Серед них найважливішою є провідність твердої{4}}фази; навіть при відносно високих температурах тепло, що передається через тверду фазу, все ще становить близько 70%.
У таких пористих структурах теплопровідність у твердій-фазі відбувається головним чином двома шляхами: один — теплопередача через газ усередині пор, що включає конвекцію повітря, радіаційну передачу та теплопередачу внаслідок руху молекул газу; інший — це все ще твердо{1}}фазоперенос, але напрям теплового потоку змінюється, що значно подовжує загальний шлях теплопередачі. Таким чином, пориста глиноземна кераміка може до певної міри перешкоджати як теплопровідності, так і тепловому випромінюванню, ефективно забезпечуючи теплоізоляцію.
Класифікація нанопористих глиноземних теплоізоляційних матеріалів
Теплоізоляційні матеріали з нанопористого оксиду алюмінію в основному включають аерогелеві ізоляційні матеріали з нано-глинозему та ізоляційні матеріали з пресованого оксиду алюмінію. Вони мають низьку щільність, низьку теплопровідність і стійкість до високих-температур і мають широкі перспективи застосування в промисловості та аерокосмічній галузі.
Глиноземні аерогелеві ізоляційні матеріали
Процес приготування аерогелів оксиду алюмінію в основному включає етапи утворення золю, гелеутворення, старіння та сушіння.
Під час приготування аерогелів оксиду алюмінію солі алюмінію зазвичай спочатку перетворюють на розчин або золь, який потім піддається хімічним реакціям з утворенням гелю, і, нарешті, гель висушують для отримання аерогелю оксиду алюмінію. Цей процес зосереджений на золь-методі гель у поєднанні з різними техніками сушіння для збереження структури нанопористої мережі. Оксидні аерогелі, виготовлені за допомогою золь-гелевого методу, забезпечують високу гнучкість процесу, чудові властивості зразків і більш зрілий розвиток процесу, що робить це основним напрямком приготування аерогелю з оксиду алюмінію.
Нано-оксид алюмінію ізоляційні матеріали
Пресовані ізоляційні матеріали з нано-оксиду алюмінію складаються з пористої структури, утвореної упаковкою частинок нано-оксиду алюмінію. Численні пори ефективно блокують молекулярну теплопровідність газу; міцний каркас має низьку теплопровідність; а нанорозмір частинок значно збільшує розсіювання тепла, зменшуючи теплопровідність.
Метод приготування нано-пресованих ізоляційних матеріалів із нано-оксиду алюмінію в основному передбачає поєднання частинок нано-порошку оксиду алюмінію як матриці з армуючими матеріалами для створення високо-ефективних ізоляційних матеріалів. Технології підготовки можна в цілому розділити на сухе формування та вологе формування.
Сухе формування: Сухе формування здійснюється без рідини або лише з невеликою кількістю рідини, де нано-матриця та армуючі матеріали змішуються, а потім-пресуються сухим способом. Цей спосіб є м’яким, простим у використанні та екологічним. Зокрема, нано-порошки, зміцнюючі матеріали, зв’язувальні речовини та іншу тверду сировину рівномірно змішують механічними засобами, потім суміш завантажують у форму та пресують у певних умовах за допомогою преса для отримання нано-композитного матеріалу.
Мокре формування: для мокрого формування в якості сировини використовуються нано-оксидні порошки. У процесі змішування в якості розчинника додається така рідина, як деіонізована вода. За допомогою механічного перемішування сировина змішується в суспензію з певною плинністю. Потім суспензію виливають у форму, а розчинник видаляють фільтруванням, сушінням, термічною обробкою або іншими способами для отримання нано-оксидного ізоляційного матеріалу.
Нано-пресовані ізоляційні матеріали з оксиду алюмінію, виготовлені мокрим формуванням, мають теплопровідність за кімнатної-температури, подібну до теплопровідності матеріалів сухого-формування. Крім того, наявність розчинника дозволяє більш рівномірно змішувати сировину, забезпечуючи кращу диспергируемость; легше контролювати склад суспензії та точно регулювати такі параметри, як концентрація.