Es bien sabido que la alúmina es un actor importante entre los rellenos térmicamente conductores.. -Al₂O₃ tiene una conductividad térmica de aproximadamente 33–36 W/(m·K) y una resistividad volumétrica de aproximadamente 10¹⁰ Ω·cm, lo que lo convierte en un excelente relleno térmicamente conductor y aislante eléctrico. Las morfologías de las partículas de -Al₂O₃ incluyen formas esféricas, en escamas, multi-angulares irregulares, en forma de gusano-, elipsoidales y otras; su tamaño de partícula varía desde escala nanométrica, submicrónica hasta micrométrica; y su estructura de partículas puede ser policristalina o monocristalina. Estas diferentes microestructuras tienen un impacto significativo en el rendimiento de los materiales térmicamente conductores.
La alúmina común, debido a que su superficie contiene una gran cantidad de grupos hidroxilo y es altamente polar, sólo se puede rellenar con aceites de silicona o resinas epoxi con cargas bajas, lo que dificulta satisfacer las demandas industriales. En comparación, la alúmina esférica permite una fracción de llenado considerablemente mayor. Su alta esfericidad y su baja área de superficie específica permiten un empaquetamiento de alta-densidad, lo que produce mezclas con baja viscosidad y buena fluidez que son fáciles de dispersar uniformemente. Además, posee un excelente aislamiento eléctrico, alta estabilidad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica y buenas propiedades mecánicas, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alto-rendimiento, como embalajes electrónicos.
Por supuesto, si se considera únicamente la conductividad térmica, la alúmina en escamas es la opción óptima. Las partículas de escamas entran fácilmente en contacto entre sí para formar vías de conducción térmica "cara-a-cara" con baja resistencia y alta eficiencia de transferencia térmica. Al mismo tiempo, sus superficies lisas se unen fácilmente con cadenas macromoleculares de polímeros para formar estructuras reticuladas que facilitan la transferencia de calor. Esta alúmina en escamas también tiene un coeficiente de expansión térmica ajustable, lo que ayuda a mejorar la estabilidad dimensional de los materiales de interfaz térmica.
Sin embargo, en la producción real, la alúmina en escamas tiende a aumentar la viscosidad del sistema polimérico, lo que afecta el rendimiento del procesamiento y es propensa a la sedimentación, lo que lleva a la estratificación del material. Por lo tanto, exige mayores requisitos en el proceso de formación, que es la razón principal de su aplicación relativamente limitada en almohadillas de silicona térmicamente conductoras.
Por lo tanto, en función de los requisitos de estabilidad, alto rendimiento y bajo costo en sistemas de alúmina térmicamente conductores con diferentes morfologías, se espera que los materiales compuestos de relleno de alúmina térmicamente conductores-que se logran empacando densamente rellenos de alúmina esféricos, cuasi-esféricos y angulares para construir una red de conducción térmica y mejorar así la conductividad térmica de los materiales de interfaz térmica-obtengan una aplicación generalizada, con una creciente demanda del mercado.
En términos de pureza, la alúmina estándar normalmente tiene una pureza de aproximadamente el 99,8%. Sin embargo, cuando se refina a un 99,99 % de alúmina de alta-pureza, su conductividad térmica mejora aún más. Esto se debe a que las impurezas y defectos de la alúmina interfieren con el flujo fluido de los fonones en las vibraciones de la red. Una impureza común que afecta significativamente la conductividad térmica es el sodio; Como metal alcalino, el sodio provoca una distorsión de la estructura cristalina, dificultando así el flujo de calor. La alúmina convencional puede tener un contenido de sodio superior a 100 ppm, mientras que la alúmina de alta-pureza producida mediante procesos eficientes y sostenibles puede mantener el contenido de sodio por debajo de 10 ppm. Debido a su bajo contenido de impurezas y estructura uniforme, la alúmina de alta-pureza permite un mejor transporte de fonones y ofrece un rendimiento térmico superior.
Pero cuando la estructura de la alúmina cambia a una arquitectura porosa, exhibe excelentes propiedades de aislamiento térmico y refractarias. ¿Por qué es esto? Las principales razones son las siguientes:
Por un lado, la conductividad térmica de un mismo material varía con la temperatura. A medida que aumenta la temperatura en los hornos industriales, la conductividad térmica de la alúmina disminuye continuamente; a 1200 grados, su conductividad térmica es aproximadamente la mitad que a 400 grados. Sin embargo, la conductividad térmica de la alúmina a temperatura ambiente es de 20 a 30 W/(m·K), e incluso a 1200 grados en un horno de alta-temperatura, puede alcanzar casi 10 W/(m·K)-aún más que muchos otros materiales. Por tanto, el comportamiento aislante de la alúmina se debe fundamentalmente a cambios en su estructura.
Cuando se utiliza alúmina como material térmicamente conductor, generalmente se requiere alta densidad y alta pureza para minimizar los componentes de la fase vítrea que surgen de disposiciones atómicas o iónicas desordenadas. Sin embargo, la característica más distintiva de la alúmina como aislante térmico es su estructura porosa de baja-densidad. Su baja conductividad térmica, alta resistencia mecánica y alta temperatura de servicio lo convierten en una opción ideal para revestimientos refractarios en hornos industriales.
Los materiales de aislamiento térmico suprimen eficazmente las vías de conducción, convección y radiación del calor a través de su estructura compositiva única, logrando así un aislamiento eficiente. La transferencia de calor en materiales aislantes se produce principalmente a través de tres rutas: conducción térmica en fase sólida-, conducción térmica en fase gaseosa-y transferencia de calor radiativa. Entre ellas, la conducción en fase sólida-es la más importante; Incluso a temperaturas relativamente altas, el calor transferido a través de la fase sólida sigue representando alrededor del 70%.
En dichas estructuras porosas, la conducción de calor en fase sólida-se produce principalmente a través de dos vías: una es la transferencia de calor a través del gas dentro de los poros, que incluye la convección del aire, la transferencia radiativa y la transferencia de calor debido al movimiento molecular del gas; el otro sigue siendo transferencia de fase sólida-, pero la dirección del flujo de calor se altera, ampliando en gran medida la ruta general de transferencia de calor. Por lo tanto, las cerámicas de alúmina porosas pueden, hasta cierto punto, impedir tanto la conducción térmica como la radiación térmica, proporcionando efectivamente aislamiento térmico.
Clasificación de materiales aislantes térmicos de alúmina nanoporosa.
Los materiales de aislamiento térmico de alúmina nanoporosa incluyen principalmente materiales aislantes de aerogel de alúmina y materiales aislantes prensados de nano-alúmina, entre otros. Presentan baja densidad, baja conductividad térmica y resistencia a altas-temperaturas, y tienen amplias perspectivas de aplicación en industrias y aeroespaciales.
Materiales aislantes de aerogel de alúmina.
El proceso de preparación de aerogeles de alúmina incluye principalmente las etapas de formación de sol, gelificación, envejecimiento y secado.
En la preparación de aerogeles de alúmina, las sales de aluminio normalmente se convierten primero en una solución o sol, que luego sufre reacciones químicas para formar un gel y, finalmente, el gel se seca para obtener el aerogel de alúmina. Este proceso se centra en el método sol-gel, combinado con diferentes técnicas de secado para preservar la estructura de la red nanoporosa. Los aerogeles de óxido preparados mediante el método sol-gel ofrecen una gran flexibilidad de proceso, propiedades superiores de las muestras y un desarrollo de procesos más maduro, lo que lo convierte en la dirección principal para la preparación de aerogeles de alúmina.
Materiales aislantes prensados de nano-alúmina
Los materiales aislantes prensados de nano-alúmina consisten en una estructura porosa formada por el empaquetamiento de partículas de nano-alúmina. Los abundantes poros bloquean eficazmente la conducción del calor molecular del gas; el esqueleto sólido tiene baja conductividad térmica; y el tamaño de las partículas a nanoescala aumenta significativamente la dispersión del calor, reduciendo la conductividad térmica.
El método de preparación de materiales aislantes prensados de nano-alúmina implica principalmente combinar partículas de polvo de nano-alúmina como matriz con materiales de refuerzo para desarrollar materiales aislantes de alto-rendimiento. Las técnicas de preparación se pueden dividir en términos generales en conformación en seco y conformación en húmedo.
conformado en seco: El conformado en seco se lleva a cabo sin líquidos o con solo una pequeña cantidad de líquido, donde la nano-matriz y los materiales de refuerzo se mezclan y luego-se prensan en seco. Este método es suave, sencillo de operar y respetuoso con el medio ambiente. Específicamente, nano-polvos, materiales de refuerzo, aglutinantes y otras materias primas sólidas se mezclan uniformemente por medios mecánicos, luego la mezcla se carga en un molde y se prensa en condiciones específicas usando una prensa para obtener el material nano-compuesto.
conformado húmedo: El conformado húmedo utiliza polvos de nano-óxido como materia prima. Durante el proceso de mezcla, se añade como disolvente un líquido como agua desionizada. Mediante agitación mecánica, las materias primas se mezclan en una suspensión con cierta fluidez. Luego, la suspensión se vierte en un molde y el disolvente se elimina mediante filtración, secado, tratamiento térmico u otros métodos para obtener el material aislante de nano-óxido.
Los materiales aislantes prensados de nano-alúmina producidos mediante conformación húmeda tienen una conductividad térmica a temperatura ambiente- similar a la de los materiales formados en seco-. Además, la presencia de disolvente permite una mezcla más uniforme de las materias primas, proporcionando una mejor dispersabilidad; es más fácil controlar la formulación de la suspensión y ajustar con precisión parámetros como la concentración.