Gerai žinoma, kad aliuminio oksidas yra pagrindinis šilumai laidžių užpildų dalyvis . -Al₂O3, kurio šilumos laidumas yra maždaug 33–36 W/(m·K), o savitoji varža yra apie 10¹⁰ Ω·cm, todėl jis yra puikus šilumai laidus ir elektrą izoliuojantis užpildas. -Al₂O3 dalelių morfologijos yra sferinės, dribsnių, netaisyklingos daugiakampės, sliekinės, elipsoidinės ir kitos formos; jo dalelių dydis svyruoja nuo nanoskalės, submikronų iki mikronų mastelio; o jo dalelių struktūra gali būti polikristalinė arba viena{8}kristalinė. Šios skirtingos mikrostruktūros turi didelę įtaką šilumai laidžių medžiagų veikimui.
Įprastą aliuminio oksidą, kurio paviršiuje yra daug hidroksilo grupių ir jis yra labai polinis, galima užpildyti tik į silikonines alyvas arba epoksidines dervas esant mažoms apkrovoms, todėl sunku patenkinti pramonės poreikius. Palyginimui, sferinis aliuminio oksidas leidžia pasiekti žymiai didesnę užpildymo frakciją. Dėl didelio sferiškumo ir mažo specifinio paviršiaus ploto galima supakuoti didelį-tankį, todėl gaunami mažo klampumo ir gero sklandumo mišiniai, kuriuos lengva tolygiai išsklaidyti. Be to, jis pasižymi puikia elektros izoliacija, dideliu terminiu stabilumu, mažu šiluminio plėtimosi koeficientu ir geromis mechaninėmis savybėmis, todėl tinka naudoti didelio našumo -naudojimuose, pvz., elektroninėms pakuotėms.
Žinoma, jei atsižvelgiama tik į šilumos laidumą, aliuminio oksido dribsniai yra optimalus pasirinkimas. Dribsnių dalelės lengvai susisiekia viena su kita, sudarydamos „akis į veidą“ šilumos laidumo kelius, pasižyminčius maža varža ir dideliu šilumos perdavimo efektyvumu. Tuo pačiu metu jų lygūs paviršiai lengvai susilieja su polimero stambiamolekulinėmis grandinėmis, kad susidarytų kryžminės{4}}struktūros, palengvinančios šilumos perdavimą. Toks aliuminio oksido dribsnis taip pat turi reguliuojamą šiluminio plėtimosi koeficientą, kuris padeda pagerinti šiluminės sąsajos medžiagų matmenų stabilumą.
Tačiau faktinėje gamyboje aliuminio oksido dribsniai linkę padidinti polimerų sistemos klampumą, o tai turi įtakos apdorojimo našumui, ir yra linkę į nuosėdas, dėl kurių medžiaga stratifikuojama. Todėl jam reikia didesnių formavimo proceso reikalavimų, o tai yra pagrindinė sąlyginai riboto jo panaudojimo šilumai laidžiuose silikono pagalvėlėse priežastis.
Taigi, atsižvelgiant į skirtingų morfologijų šilumai laidžių aliuminio oksido sistemų stabilumo, didelio našumo ir mažos kainos reikalavimus, sudėtinės šilumai laidžios aliuminio oksido užpildų medžiagos -gaunamos tankiai supakuojant sferinius, kvazi-sferinius ir kampinius aliuminio oksido užpildus, kad būtų sukurtas šilumos laidumo tinklas ir taip padidintas šilumos laidumo tinklas{2}} plačiai paplitęs, augant paklausai rinkoje.
Kalbant apie grynumą, standartinio aliuminio oksido grynumas paprastai yra apie 99,8%. Tačiau išgryninus iki 99,99 % didelio -grynumo aliuminio oksido, jo šilumos laidumas dar labiau pagerėja. Taip yra todėl, kad priemaišos ir aliuminio oksido defektai trukdo sklandžiai tekėti fononams grotelių virpesiuose. Dažna priemaiša, kuri labai veikia šilumos laidumą, yra natris; Kaip šarminis metalas, natris iškraipo kristalų struktūrą ir taip trukdo šilumos srautui. Įprasto aliuminio oksido natrio kiekis gali viršyti 100 ppm, o didelio grynumo aliuminio oksidas, pagamintas efektyviais ir tvariais procesais, gali išlaikyti mažesnį nei 10 ppm natrio kiekį. Dėl mažo priemaišų kiekio ir vienodos struktūros didelio{11}}grynumo aliuminio oksidas leidžia geriau pernešti fononus ir užtikrina geresnes šilumines savybes.
Tačiau kai aliuminio oksido struktūra pasikeičia į porėtą architektūrą, ji pasižymi puikia šilumos izoliacija ir ugniai atspariomis savybėmis. Kodėl taip yra? Pagrindinės priežastys yra šios:
Viena vertus, tos pačios medžiagos šilumos laidumas kinta priklausomai nuo temperatūros. Kylant temperatūrai pramoninėse krosnyse, aliuminio oksido šilumos laidumas nuolat mažėja; esant 1200 laipsnių, jo šilumos laidumas yra maždaug perpus mažesnis nei esant 400 laipsnių. Nepaisant to, aliuminio oksido šilumos laidumas kambario temperatūroje yra 20–30 W/(m·K), o net 1200 laipsnių aukštoje -temperatūroje krosnyje jis gali pasiekti beveik 10 W/(m·K) -vis tiek didesnis nei daugelio kitų medžiagų. Todėl aliuminio oksido izoliacinės savybės iš esmės priklauso nuo jo struktūros pokyčių.
Kai aliuminio oksidas naudojamas kaip šilumai laidži medžiaga, jam paprastai reikia didelio tankio ir didelio grynumo, kad būtų sumažintas stiklinės fazės komponentas, atsirandantis dėl netvarkingos atominės ar joninės struktūros. Tačiau ryškiausias aliuminio oksido, kaip šilumos izoliatoriaus, bruožas yra porėta, mažo tankio struktūra. Dėl mažo šilumos laidumo, didelio mechaninio stiprumo ir aukštos eksploatacijos temperatūros jis yra idealus pasirinkimas ugniai atspariems įdėklams pramoninėse krosnyse.
Šilumos izoliacinės medžiagos efektyviai slopina šilumos laidumo, konvekcijos ir spinduliuotės kelius dėl savo unikalios kompozicinės struktūros ir taip užtikrina efektyvią izoliaciją. Šilumos perdavimas izoliacinėse medžiagose vyksta daugiausia trimis būdais: kietosios fazės šilumos laidumo, dujų -fazės šilumos laidumo ir spinduliavimo šilumos perdavimo. Tarp jų svarbiausias yra kietosios fazės{4}}laidumas; net esant santykinai aukštai temperatūrai per kietąją fazę perduota šiluma vis dar sudaro apie 70 proc.
Tokiose akytose struktūrose kietosios fazės šilumos laidumas daugiausia vyksta dviem keliais: vienas yra šilumos perdavimas per dujas porose, įskaitant oro konvekciją, spinduliavimą ir šilumos perdavimą dėl dujų molekulinio judėjimo; kitas vis dar yra kietas{1}}fazinis perdavimas, tačiau šilumos srauto kryptis pasikeičia, todėl bendras šilumos perdavimo kelias labai pailgėja. Todėl porėta aliuminio oksido keramika tam tikru mastu gali trukdyti šilumos laidumui ir šilumos spinduliuotei, efektyviai užtikrindama šilumos izoliaciją.
Nanoporinio aliuminio oksido termoizoliacinių medžiagų klasifikacija
Nanoporinės aliuminio oksido termoizoliacinės medžiagos daugiausia apima aliuminio oksido aerogelio izoliacines medžiagas ir nano-aliuminio oksido presuotos izoliacinės medžiagos ir kt. Jie pasižymi mažu tankiu, mažu šilumos laidumu ir dideliu-atsparumu temperatūrai, todėl juos galima plačiai pritaikyti pramonės ir kosmoso srityse.
Aliuminio aerogelio izoliacinės medžiagos
Aliuminio oksido aerogelių paruošimo procesas daugiausia apima zolių susidarymą, želė, senėjimą ir džiovinimą.
Ruošiant aliuminio oksido aerogelius, aliuminio druskos paprastai pirmiausia paverčiamos tirpalu arba zoliu, kuris vėliau vyksta cheminėmis reakcijomis, kad susidarytų gelis, o galiausiai gelis džiovinamas ir gaunamas aliuminio oksido aerogelis. Šis procesas yra sutelktas į sol-gelio metodą, derinamą su įvairiais džiovinimo būdais, kad būtų išsaugota nanoporinė tinklo struktūra. Oksidiniai aerogeliai, paruošti naudojant sol-gelio metodą, pasižymi dideliu proceso lankstumu, puikiomis mėginio savybėmis ir brandesniu proceso vystymu, todėl tai yra pagrindinė aliuminio oksido aerogelio ruošimo kryptis.
Nano{0}}aliuminio oksido presuotos izoliacinės medžiagos
Nano-aliuminio oksido presuotos izoliacinės medžiagos susideda iš porėtos struktūros, susidariusios iš nano-aliuminio oksido dalelių. Gausios poros efektyviai blokuoja dujų molekulinį šilumos laidumą; kietas skeletas turi mažą šilumos laidumą; o nanoskalės dalelių dydis žymiai padidina šilumos sklaidą, sumažindamas šilumos laidumą.
Nano{0}}aliuminio oksido presuotų izoliacinių medžiagų paruošimo metodas daugiausia apima nano-aliuminio oksido miltelių dalelių, kaip matricos, sujungimą su armuojančiomis medžiagomis, kad būtų sukurtos aukštos -našios izoliacinės medžiagos. Paruošimo būdus galima iš esmės suskirstyti į sausąjį ir šlapiąjį formavimą.
Sausas formavimas: Sausasis formavimas atliekamas be skysčių arba tik su nedideliu kiekiu skysčio, kai nano{0}}matrica ir armuojančios medžiagos sumaišomos, o po to sausai{1}}presuojamos. Šis metodas yra švelnus, paprastas naudoti ir nekenksmingas aplinkai. Tiksliau, nano-milteliai, sutvirtinančios medžiagos, rišikliai ir kitos kietos žaliavos tolygiai sumaišomos mechaninėmis priemonėmis, tada mišinys supilamas į formą ir tam tikromis sąlygomis presuojamas naudojant presą, kad būtų gauta nano{5}}kompozitinė medžiaga.
Drėgnas formavimas: Šlapiam formavimui kaip žaliava naudojami nano{0}}oksido milteliai. Maišymo proceso metu kaip tirpiklis pridedamas skystis, pavyzdžiui, dejonizuotas vanduo. Mechaniškai maišant žaliavos sumaišomos į tam tikro sklandumo suspensiją. Tada suspensija supilama į formą, o tirpiklis pašalinamas filtruojant, džiovinant, termiškai apdorojant ar kitais būdais, kad būtų gauta nano-oksido izoliacinė medžiaga.
Nano-aliuminio oksido presuotos izoliacinės medžiagos, pagamintos drėgno formavimo būdu, turi panašų kambario temperatūros šilumos laidumą-, kaip ir sausai formuotų medžiagų. Be to, esant tirpikliui, žaliavos sumaišomos tolygiau, o tai užtikrina geresnį dispergavimą; lengviau valdyti srutų sudėtį ir tiksliai reguliuoti parametrus, tokius kaip koncentracija.