Powszechnie wiadomo, że tlenek glinu odgrywa główną rolę wśród wypełniaczy przewodzących ciepło.. -Al₂O₃ ma przewodność cieplną około 33–36 W/(m·K) i rezystywność skrośną około 10¹⁰ Ω·cm, co czyni go doskonałym wypełniaczem przewodzącym ciepło i izolującym elektrycznie. Morfologia cząstek -Al₂O₃ obejmuje formy kuliste, płatkowe, nieregularne, wielo-kątowe,-robakowate, elipsoidalne i inne; jego wielkość cząstek waha się od nanoskali, submikronowej do skali mikronowej; a jego struktura cząstek może być polikrystaliczna lub monokrystaliczna. Te różne mikrostruktury mają znaczący wpływ na właściwości materiałów przewodzących ciepło.
Zwykły tlenek glinu, ze względu na swoją powierzchnię zawierającą dużą liczbę grup hydroksylowych i wysoką polarność, może być wypełniany olejami silikonowymi lub żywicami epoksydowymi jedynie przy małych obciążeniach, co utrudnia spełnienie wymagań przemysłowych. Dla porównania, sferyczny tlenek glinu pozwala na znacznie wyższą frakcję wypełnienia. Jego wysoka kulistość i mała powierzchnia właściwa umożliwiają upakowanie-o dużej gęstości, dając mieszaniny o niskiej lepkości i dobrej płynności, które można łatwo równomiernie zdyspergować. Ponadto charakteryzuje się doskonałą izolacją elektryczną, wysoką stabilnością termiczną, niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej i dobrymi właściwościami mechanicznymi, dzięki czemu nadaje się do zastosowań-o wysokiej wydajności, takich jak opakowania elektroniczne.
Oczywiście, jeśli weźmie się pod uwagę samą przewodność cieplną, optymalnym wyborem będzie płatkowy tlenek glinu. Cząstki płatków łatwo kontaktują się ze sobą, tworząc „twarzą w twarz” ścieżki przewodzenia ciepła o niskim oporze i wysokiej wydajności przenikania ciepła. Jednocześnie ich gładkie powierzchnie łatwo łączą się z łańcuchami makrocząsteczkowymi polimeru, tworząc-usieciowane struktury ułatwiające przenoszenie ciepła. Taki płatkowy tlenek glinu ma również regulowany współczynnik rozszerzalności cieplnej, co pomaga poprawić stabilność wymiarową materiałów interfejsu termicznego.
Jednakże w rzeczywistej produkcji tlenek glinu płatkowego ma tendencję do zwiększania lepkości układu polimerowego, wpływając na wydajność przetwarzania i jest podatny na sedymentację, prowadząc do rozwarstwienia materiału. Dlatego stawia wyższe wymagania procesowi formowania, co jest głównym powodem jego stosunkowo ograniczonego zastosowania w termoprzewodzących podkładkach silikonowych.
Zatem w oparciu o wymagania dotyczące stabilności, wysokiej wydajności i niskiego kosztu w systemach przewodzących ciepło z tlenku glinu o różnej morfologii oczekuje się, że kompozytowe wypełniacze z tlenku glinu przewodzące ciepło-osiągane przez gęste upakowanie sferycznych, quasi-wypełniaczy kątowych w celu zbudowania sieci przewodzącej ciepło, a tym samym poprawy przewodności cieplnej materiałów interfejsu termicznego-, prawdopodobnie zyskają szerokie zastosowanie wraz z rosnącym popytem na rynku.
Pod względem czystości standardowy tlenek glinu ma zazwyczaj czystość około 99,8%. Jednakże po rafinacji do tlenku glinu o wysokiej-czystości wynoszącej 99,99% jego przewodność cieplna ulega dalszej poprawie. Dzieje się tak, ponieważ zanieczyszczenia i defekty tlenku glinu zakłócają płynny przepływ fononów w drganiach sieci. Powszechnym zanieczyszczeniem, które znacząco wpływa na przewodność cieplną, jest sód; jako metal alkaliczny sód powoduje zniekształcenie struktury krystalicznej, utrudniając w ten sposób przepływ ciepła. Konwencjonalny tlenek glinu może mieć zawartość sodu przekraczającą 100 ppm, podczas gdy-tlenek glinu o wysokiej czystości wytwarzany w wydajnych i zrównoważonych procesach może utrzymać zawartość sodu poniżej 10 ppm. Dzięki niskiej zawartości zanieczyszczeń i jednolitej strukturze tlenek glinu o wysokiej czystości-umożliwia lepszy transport fononów i zapewnia doskonałą wydajność cieplną.
Kiedy jednak struktura tlenku glinu zmienia się w porowatą, wykazuje on doskonałą izolację termiczną i właściwości ogniotrwałe. Dlaczego to jest? Główne powody są następujące:
Z jednej strony przewodność cieplna tego samego materiału zmienia się wraz z temperaturą. Wraz ze wzrostem temperatury w piecach przemysłowych przewodność cieplna tlenku glinu stale maleje; przy 1200 stopniach jego przewodność cieplna jest w przybliżeniu o połowę mniejsza niż przy 400 stopniach. Niemniej jednak przewodność cieplna tlenku glinu w temperaturze pokojowej wynosi 20–30 W/(m·K), a nawet w temperaturze 1200 stopni w piecu o wysokiej-temperaturze może osiągnąć prawie 10 W/(m·K)-, wciąż więcej niż w przypadku wielu innych materiałów. Dlatego też właściwości izolacyjne tlenku glinu wynikają zasadniczo ze zmian w jego strukturze.
Gdy tlenek glinu stosuje się jako materiał przewodzący ciepło, na ogół wymaga on dużej gęstości i wysokiej czystości, aby zminimalizować zawartość składników fazy szklistej powstających w wyniku nieuporządkowanego układu atomowego lub jonowego. Jednak najbardziej charakterystyczną cechą tlenku glinu jako izolatora termicznego jest jego porowata struktura o niskiej-gęstości. Jego niska przewodność cieplna, wysoka wytrzymałość mechaniczna i wysoka temperatura pracy sprawiają, że jest to idealny wybór do wyłożeń ogniotrwałych w piecach przemysłowych.
Materiały termoizolacyjne skutecznie tłumią ścieżki przewodzenia ciepła, konwekcji i promieniowania poprzez swoją unikalną strukturę składu, zapewniając w ten sposób skuteczną izolację. Przenikanie ciepła w materiałach izolacyjnych odbywa się głównie trzema drogami: przewodzenie ciepła w-fazie stałej, przewodzenie ciepła w fazie gazowej- i przenoszenie ciepła przez promieniowanie. Wśród nich najważniejsze jest przewodzenie-w fazie stałej; nawet w stosunkowo wysokich temperaturach ciepło przenoszone przez fazę stałą nadal stanowi około 70%.
W takich porowatych strukturach przewodzenie ciepła-w fazie stałej przebiega głównie dwiema drogami: jedna to przenoszenie ciepła przez gaz w porach, co obejmuje konwekcję powietrzną, przenoszenie radiacyjne i przenoszenie ciepła w wyniku ruchu cząsteczek gazu; drugi to nadal transfer-fazowy, ale kierunek przepływu ciepła ulega zmianie, co znacznie wydłuża ogólną ścieżkę wymiany ciepła. Dlatego porowata ceramika z tlenku glinu może w pewnym stopniu utrudniać zarówno przewodzenie ciepła, jak i promieniowanie cieplne, skutecznie zapewniając izolację termiczną.
Klasyfikacja nanoporowatych materiałów termoizolacyjnych z tlenku glinu
Materiały izolacyjne z nanoporowatego tlenku glinu obejmują między innymi materiały izolacyjne z aerożelu tlenku glinu i materiały izolacyjne z prasowanego nano{{0}tlenku glinu. Charakteryzują się niską gęstością, niską przewodnością cieplną i-odpornością na wysoką temperaturę, a także mają szerokie perspektywy zastosowania w przemyśle i lotnictwie.
Materiały izolacyjne z aerożelu tlenku glinu
Proces przygotowania aerożeli tlenku glinu obejmuje głównie etapy tworzenia zolu, żelowania, starzenia i suszenia.
Podczas wytwarzania aerożeli tlenku glinu sole glinu zazwyczaj najpierw przekształca się w roztwór lub zol, który następnie poddaje się reakcjom chemicznym w celu utworzenia żelu, a na koniec żel suszy się w celu otrzymania aerożelu tlenku glinu. Proces ten opiera się na metodzie zol-żelowej w połączeniu z różnymi technikami suszenia w celu zachowania nanoporowatej struktury sieci. Aerożele tlenkowe przygotowane metodą zol-żelową zapewniają dużą elastyczność procesu, doskonałe właściwości próbki i bardziej zaawansowany rozwój procesu, co czyni go głównym kierunkiem wytwarzania aerożelu tlenku glinu.
Materiały izolacyjne z prasowanego nano-tlenku glinu
Materiały izolacyjne z prasowanego nano-tlenku glinu składają się z porowatej struktury utworzonej przez upakowanie cząstek nano-tlenku glinu. Obfite pory skutecznie blokują molekularne przewodzenie ciepła gazu; solidny szkielet ma niską przewodność cieplną; a rozmiar cząstek w skali nano znacznie zwiększa rozpraszanie ciepła, zmniejszając przewodność cieplną.
Metoda przygotowania materiałów izolacyjnych prasowanych nano-tlenku glinu polega głównie na łączeniu cząstek proszku nano-tlenku glinu jako matrycy z materiałami wzmacniającymi w celu uzyskania-wysokiej jakości materiałów izolacyjnych. Techniki przygotowania można ogólnie podzielić na formowanie na sucho i formowanie na mokro.
Formowanie na sucho: Formowanie na sucho przeprowadza się bez cieczy lub z niewielką ilością cieczy, podczas gdy nano-materiały wzmacniające i materiały wzmacniające są mieszane, a następnie-prasowane na sucho. Metoda ta jest łagodna, prosta w obsłudze i przyjazna dla środowiska. W szczególności nano-proszki, materiały wzmacniające, spoiwa i inne surowce stałe miesza się równomiernie za pomocą środków mechanicznych, następnie mieszaninę ładuje się do formy i prasuje w określonych warunkach za pomocą prasy, aby uzyskać nano-materiał kompozytowy.
Formowanie na mokro: Do formowania na mokro wykorzystuje się jako surowce proszki nano-tlenków. Podczas procesu mieszania jako rozpuszczalnik dodaje się ciecz, taką jak woda dejonizowana. Poprzez mieszanie mechaniczne surowce miesza się w zawiesinę o określonej płynności. Następnie zawiesinę wlewa się do formy, a rozpuszczalnik usuwa się poprzez filtrację, suszenie, obróbkę cieplną lub innymi metodami w celu otrzymania nano-tlenkowego materiału izolacyjnego.
Materiały izolacyjne prasowane z nano{{0}tlenku glinu, produkowane metodą formowania na mokro, mają przewodność cieplną w temperaturze pokojowej-podobną do materiałów formowanych-na sucho. Ponadto obecność rozpuszczalnika pozwala na bardziej równomierne wymieszanie surowców, zapewniając lepszą dyspergowalność; łatwiej jest kontrolować skład zaczynu i precyzyjnie regulować parametry takie jak stężenie.