Je dobre známe, že oxid hlinitý je hlavným hráčom medzi tepelne vodivými plnivami. -Al₂O₃ má tepelnú vodivosť približne 33–36 W/(m·K) a objemový odpor približne 10¹⁰ Ω·cm, čo z neho robí vynikajúce tepelne vodivé a elektricky izolačné plnivo. Morfológie častíc -Al2O3 zahŕňajú sférické, vločkové, nepravidelné mnohohranné, červovité, elipsoidné a iné formy; veľkosť jeho častíc sa pohybuje od nanometrov, submikrónových až po mikrónové; a jeho časticová štruktúra môže byť polykryštalická alebo jednoduchá{8}}kryštalická. Tieto rôzne mikroštruktúry majú významný vplyv na výkon tepelne vodivých materiálov.
Obyčajný oxid hlinitý, vzhľadom na jeho povrch obsahujúci veľké množstvo hydroxylových skupín a vysoko polárny, môže byť plnený silikónovými olejmi alebo epoxidovými živicami len pri nízkych zaťaženiach, čo sťažuje splnenie priemyselných požiadaviek. V porovnaní s tým sférický oxid hlinitý umožňuje podstatne vyšší podiel plnenia. Jeho vysoká guľovitosť a nízky špecifický povrch umožňujú balenie s vysokou -hustotou, čím vznikajú zmesi s nízkou viskozitou a dobrou tekutosťou, ktoré sa ľahko a rovnomerne rozptýlia. Okrem toho má vynikajúcu elektrickú izoláciu, vysokú tepelnú stabilitu, nízky koeficient tepelnej rozťažnosti a dobré mechanické vlastnosti, vďaka čomu je vhodný pre vysoko{4}}výkonné aplikácie, ako sú elektronické obaly.
Samozrejme, ak sa uvažuje samotná tepelná vodivosť, optimálnou voľbou je vločkový oxid hlinitý. Vločkové častice sa ľahko dostanú do vzájomného kontaktu a vytvoria „čelou-čelou{2}} proti sebe“ cesty vedenia tepla s nízkym odporom a vysokou účinnosťou prenosu tepla. Ich hladké povrchy sa zároveň ľahko spájajú s polymérnymi makromolekulárnymi reťazcami a vytvárajú zosieťované-štruktúry, ktoré uľahčujú prenos tepla. Takýto vločkový oxid hlinitý má tiež nastaviteľný koeficient tepelnej rozťažnosti, ktorý pomáha zlepšiť rozmerovú stabilitu materiálov tepelného rozhrania.
Avšak v skutočnej výrobe má vločkový oxid hlinitý tendenciu zvyšovať viskozitu polymérneho systému, čo ovplyvňuje výkon spracovania, a je náchylný na sedimentáciu, čo vedie k stratifikácii materiálu. Preto si vyžaduje vyššie požiadavky na proces tvárnenia, čo je hlavným dôvodom jeho relatívne obmedzeného použitia v tepelne vodivých silikónových podložkách.
Na základe požiadaviek na stabilitu, vysoký výkon a nízke náklady v tepelne vodivých systémoch oxidu hlinitého s rôznymi morfológiami sú teda kompozitné tepelne vodivé výplňové materiály na báze oxidu hlinitého-dosiahnuté husto uloženými guľovými, kvázi{1}}sférickými a hranatými výplňami z oxidu hlinitého na vybudovanie siete tepelnej vodivosti, čím sa zvyšuje dopyt po materiáloch na tepelnom rozhraní s rastúcim dopytom na{2} trhu.
Pokiaľ ide o čistotu, štandardný oxid hlinitý má typicky čistotu približne 99,8 %. Keď sa však zušľachťuje na 99,99 % -oxid hlinitý s vysokou čistotou, jeho tepelná vodivosť sa ďalej zlepšuje. Je to preto, že nečistoty a defekty oxidu hlinitého narúšajú hladký tok fonónov pri vibráciách mriežky. Bežnou nečistotou, ktorá výrazne ovplyvňuje tepelnú vodivosť, je sodík; ako alkalický kov spôsobuje sodík narušenie kryštálovej štruktúry, čím bráni tepelnému toku. Bežný oxid hlinitý môže mať obsah sodíka vyšší ako 100 ppm, zatiaľ čo vysoko{8}}čistý oxid hlinitý vyrobený efektívnymi a udržateľnými procesmi dokáže udržať obsah sodíka pod 10 ppm. Vďaka nízkemu obsahu nečistôt a jednotnej štruktúre umožňuje -oxid hlinitý s vysokou čistotou lepší prenos fonónov a poskytuje vynikajúci tepelný výkon.
Ale keď sa štruktúra oxidu hlinitého zmení na poréznu architektúru, vykazuje vynikajúce tepelnoizolačné a žiaruvzdorné vlastnosti. prečo je to tak? Hlavné dôvody sú nasledovné:
Na jednej strane sa tepelná vodivosť toho istého materiálu mení s teplotou. Ako teplota v priemyselných peciach stúpa, tepelná vodivosť oxidu hlinitého neustále klesá; pri 1200 stupňoch je jeho tepelná vodivosť zhruba polovičná ako pri 400 stupňoch. Napriek tomu je tepelná vodivosť oxidu hlinitého pri izbovej teplote 20–30 W/(m·K) a dokonca aj pri 1200 stupňoch vo vysokoteplotnej-peci môže dosiahnuť takmer 10 W/(m·K)-stále vyššiu ako mnohé iné materiály. Preto je izolačné správanie oxidu hlinitého v podstate spôsobené zmenami v jeho štruktúre.
Keď sa oxid hlinitý používa ako tepelne vodivý materiál, vo všeobecnosti vyžaduje vysokú hustotu a vysokú čistotu, aby sa minimalizovali zložky sklovitej fázy vznikajúce z neusporiadaných atómových alebo iónových usporiadaní. Najvýraznejšou črtou oxidu hlinitého ako tepelného izolátora je však jeho pórovitá štruktúra s nízkou{1} hustotou. Jeho nízka tepelná vodivosť, vysoká mechanická pevnosť a vysoká prevádzková teplota z neho robia ideálnu voľbu pre žiaruvzdorné výmurovky v priemyselných peciach.
Tepelnoizolačné materiály svojou unikátnou štruktúrou zloženia účinne potláčajú cesty vedenia tepla, prúdenia a sálania, čím sa dosahuje účinná izolácia. K prenosu tepla v izolačných materiáloch dochádza najmä tromi cestami: vedením tepla v tuhej-fáze, vedením tepla v plynnej-fáze a prenosom tepla sálaním. Spomedzi nich je najdôležitejšia vodivosť v tuhej -fáze; dokonca aj pri relatívne vysokých teplotách teplo prenesené cez pevnú fázu stále predstavuje asi 70 %.
V takýchto poréznych štruktúrach prebieha vedenie tepla v tuhej -fáze hlavne dvoma cestami: jednou je prenos tepla cez plyn v póroch, ktorý zahŕňa prúdenie vzduchu, prenos sálaním a prenos tepla v dôsledku pohybu molekúl plynu; druhý je stále prenos v tuhej{1}}fáze, ale smer toku tepla je zmenený, čím sa značne predlžuje celková cesta prenosu tepla. Preto môže pórovitá keramika z oxidu hlinitého do určitej miery brániť vedeniu tepla aj tepelnému žiareniu a účinne poskytuje tepelnú izoláciu.
Klasifikácia tepelnoizolačných materiálov z nanoporézneho oxidu hlinitého
Tepelnoizolačné materiály z nanoporézneho oxidu hlinitého okrem iného zahŕňajú najmä aerogélové izolačné materiály z oxidu hlinitého a izolačné materiály lisované nano{0}}oxidom hlinitým. Vyznačujú sa nízkou hustotou, nízkou tepelnou vodivosťou a vysokou-teplotnou odolnosťou a majú široké uplatnenie v priemysle a leteckom priemysle.
Aerogélové izolačné materiály z oxidu hlinitého
Proces prípravy aerogélov oxidu hlinitého zahŕňa najmä kroky tvorby sólu, gélovatenia, starnutia a sušenia.
Pri príprave aerogélov oxidu hlinitého sa soli hliníka zvyčajne najskôr prevedú na roztok alebo sól, ktorý potom podlieha chemickým reakciám za vzniku gélu a nakoniec sa gél vysuší, čím sa získa aerogél oxidu hlinitého. Tento proces je zameraný na metódu sol-gélu v kombinácii s rôznymi technikami sušenia, aby sa zachovala nanoporézna sieťová štruktúra. Oxidové aerogély pripravené metódou sol-gélu ponúkajú veľkú flexibilitu procesu, vynikajúce vlastnosti vzorky a zrelší vývoj procesu, čo z neho robí primárny smer prípravy aerogélu na báze oxidu hlinitého.
Lisované izolačné materiály nano-oxid hlinitý
Lisované izolačné materiály nano-oxidu hlinitého pozostávajú z poréznej štruktúry vytvorenej zhlukom častíc nano-oxidu hlinitého. Bohaté póry účinne blokujú vedenie molekulárneho tepla plynu; pevná kostra má nízku tepelnú vodivosť; a veľkosť častíc nanometrov výrazne zvyšuje rozptyl tepla, čím sa znižuje tepelná vodivosť.
Metóda prípravy lisovaných izolačných materiálov nano-oxidu hlinitého zahŕňa najmä kombináciu práškových častíc nano-oxidu hlinitého ako matrice s výstužnými materiálmi, aby sa vyvinuli vysokovýkonné-izolačné materiály. Techniky prípravy možno široko rozdeliť na suché tvarovanie a mokré tvarovanie.
Tvarovanie za sucha: Tvarovanie za sucha sa vykonáva bez tekutín alebo len s malým množstvom tekutiny, pričom nano{0}}matrica a výstužné materiály sa zmiešajú a potom sa za sucha lisujú-. Táto metóda je mierna, jednoduchá na obsluhu a šetrná k životnému prostrediu. Konkrétne sa nano-prášky, stužovacie materiály, spojivá a iné pevné suroviny rovnomerne zmiešajú mechanickými prostriedkami, potom sa zmes vloží do formy a lisuje sa za špecifických podmienok pomocou lisu, čím sa získa nano{5}}kompozitný materiál.
Mokré tvarovanie: Mokré tvarovanie využíva nano{0}}oxidové prášky ako suroviny. Počas procesu miešania sa ako rozpúšťadlo pridáva kvapalina, ako je deionizovaná voda. Mechanickým miešaním sa suroviny zmiešajú na kašu s určitou tekutosťou. Kaša sa potom naleje do formy a rozpúšťadlo sa odstráni filtráciou, sušením, tepelným spracovaním alebo inými metódami, čím sa získa izolačný materiál nano-oxidov.
Lisované izolačné materiály z nano-oxidu hlinitého vyrábané mokrým tvarovaním majú tepelnú vodivosť pri izbovej teplote podobnú-materiálom tvarovaným za sucha-. Okrem toho prítomnosť rozpúšťadla umožňuje rovnomernejšie miešanie surovín, čím sa poskytuje lepšia disperzibilita; je jednoduchšie kontrolovať zloženie suspenzie a presne nastaviť parametre, ako je koncentrácia.