Ai cũng biết rằng alumina là chất đóng vai trò chính trong số các chất độn dẫn nhiệt. -Al₂O₃ có độ dẫn nhiệt khoảng 33–36 W/(m·K) và điện trở suất khoảng 10¹⁰ Ω·cm, khiến nó trở thành chất độn dẫn nhiệt và cách điện tuyệt vời. Các hình thái hạt của -Al₂O₃ bao gồm hình cầu, dạng vảy, nhiều góc-không đều, dạng sâu-, hình elip và các dạng khác; kích thước hạt của nó dao động từ quy mô nano, submicron, đến micron; và cấu trúc hạt của nó có thể là đa tinh thể hoặc đơn-tinh thể. Những cấu trúc vi mô khác nhau này có tác động đáng kể đến hiệu suất của vật liệu dẫn nhiệt.
Alumina thông thường, do bề mặt chứa nhiều nhóm hydroxyl và có độ phân cực cao nên chỉ có thể được đổ đầy bằng dầu silicon hoặc nhựa epoxy ở tải trọng thấp, gây khó khăn cho việc đáp ứng nhu cầu công nghiệp. Để so sánh, alumina hình cầu cho phép tỷ lệ lấp đầy cao hơn đáng kể. Độ cầu cao và diện tích bề mặt riêng thấp của nó cho phép đóng gói mật độ- cao, tạo ra hỗn hợp có độ nhớt thấp và tính lưu động tốt, dễ phân tán đồng đều. Hơn nữa, nó có khả năng cách điện tuyệt vời, độ ổn định nhiệt cao, hệ số giãn nở nhiệt thấp và các đặc tính cơ học tốt, khiến nó phù hợp với các ứng dụng hiệu suất cao như bao bì điện tử.
Tất nhiên, nếu chỉ xem xét tính dẫn nhiệt thì alumina dạng vảy là lựa chọn tối ưu. Các hạt vảy dễ dàng tiếp xúc với nhau để tạo thành các đường dẫn nhiệt "mặt{1}}đối{2}}với điện trở thấp và hiệu suất truyền nhiệt cao. Đồng thời, bề mặt nhẵn của chúng dễ dàng liên kết với các chuỗi cao phân tử polyme để tạo thành các cấu trúc liên kết chéo tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình truyền nhiệt. Alumina vảy như vậy cũng có hệ số giãn nở nhiệt có thể điều chỉnh được, giúp cải thiện độ ổn định kích thước của vật liệu giao diện nhiệt.
Tuy nhiên, trong thực tế sản xuất, alumina vảy có xu hướng làm tăng độ nhớt của hệ thống polymer, ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý và dễ bị lắng đọng, dẫn đến sự phân tầng vật liệu. Do đó, nó đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về quá trình tạo hình, đó là lý do chính cho việc ứng dụng tương đối hạn chế của nó trong các miếng silicon dẫn nhiệt.
Do đó, dựa trên các yêu cầu về độ ổn định, hiệu suất cao và chi phí thấp trong hệ thống alumina dẫn nhiệt với các hình thái khác nhau, vật liệu độn alumina dẫn nhiệt tổng hợp-đạt được bằng cách đóng gói dày đặc các chất độn alumina hình cầu, bán-hình cầu và góc để xây dựng mạng dẫn nhiệt và do đó nâng cao tính dẫn nhiệt của vật liệu giao diện nhiệt{2}}dự kiến sẽ có được ứng dụng rộng rãi khi nhu cầu thị trường ngày càng tăng.
Về độ tinh khiết, alumina tiêu chuẩn thường có độ tinh khiết khoảng 99,8%. Tuy nhiên, khi tinh chế đến alumina có độ tinh khiết cao{{3}%99,99%, độ dẫn nhiệt của nó được cải thiện hơn nữa. Điều này là do các tạp chất và khuyết tật trong alumina cản trở dòng phonon trôi chảy trong các dao động mạng. Một tạp chất phổ biến ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn nhiệt là natri; là một kim loại kiềm, natri gây biến dạng cấu trúc tinh thể, do đó cản trở dòng nhiệt. Alumina thông thường có thể có hàm lượng natri vượt quá 100 ppm, trong khi alumina có độ tinh khiết cao-được sản xuất thông qua các quy trình hiệu quả và bền vững có thể giữ hàm lượng natri ở mức dưới 10 ppm. Nhờ hàm lượng tạp chất thấp và cấu trúc đồng nhất, alumina có độ tinh khiết cao cho phép vận chuyển phonon tốt hơn và mang lại hiệu suất nhiệt vượt trội.
Nhưng khi cấu trúc của alumina thay đổi thành kiến trúc xốp, nó thể hiện đặc tính cách nhiệt và chịu lửa tuyệt vời. Tại sao lại thế này? Những lý do chính như sau:
Một mặt, độ dẫn nhiệt của cùng một vật liệu thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ trong lò công nghiệp tăng lên, độ dẫn nhiệt của alumina liên tục giảm; ở 1200 độ, độ dẫn nhiệt của nó chỉ bằng một nửa so với ở 400 độ. Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của alumina ở nhiệt độ phòng là 20–30 W/(m·K), và thậm chí ở nhiệt độ 1200 độ trong lò-nhiệt độ cao, nó có thể đạt tới gần 10 W/(m·K)-vẫn cao hơn nhiều vật liệu khác. Do đó, tính chất cách điện của alumina về cơ bản là do sự thay đổi cấu trúc của nó.
Khi alumina được sử dụng làm vật liệu dẫn nhiệt, nó thường đòi hỏi mật độ cao và độ tinh khiết cao để giảm thiểu các thành phần pha thủy tinh phát sinh từ sự sắp xếp nguyên tử hoặc ion bị rối loạn. Tuy nhiên, đặc điểm đặc biệt nhất của alumina với vai trò là chất cách nhiệt là cấu trúc xốp, mật độ -thấp. Độ dẫn nhiệt thấp, độ bền cơ học cao và nhiệt độ sử dụng cao khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho lớp lót chịu lửa trong lò nung công nghiệp.
Vật liệu cách nhiệt ngăn chặn hiệu quả các con đường dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ thông qua cấu trúc thành phần độc đáo của chúng, từ đó đạt được khả năng cách nhiệt hiệu quả. Sự truyền nhiệt trong vật liệu cách điện xảy ra chủ yếu qua ba con đường: dẫn nhiệt pha rắn, dẫn nhiệt pha khí và truyền nhiệt bức xạ. Trong số này, sự dẫn pha-rắn là quan trọng nhất; ngay cả ở nhiệt độ tương đối cao, nhiệt lượng truyền qua pha rắn vẫn chiếm khoảng 70%.
Trong các cấu trúc xốp như vậy, sự dẫn nhiệt ở pha rắn-chủ yếu diễn ra thông qua hai đường: một là truyền nhiệt qua khí bên trong các lỗ, bao gồm đối lưu không khí, truyền bức xạ và truyền nhiệt do chuyển động phân tử khí; cái còn lại vẫn là truyền pha rắn, nhưng hướng của dòng nhiệt bị thay đổi, mở rộng đáng kể đường truyền nhiệt tổng thể. Do đó, ở một mức độ nhất định, gốm alumina xốp có thể cản trở cả sự dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt, mang lại khả năng cách nhiệt hiệu quả.
Phân loại vật liệu cách nhiệt alumina nano xốp
Vật liệu cách nhiệt alumina nano xốp chủ yếu bao gồm vật liệu cách nhiệt alumina aerogel và vật liệu cách nhiệt nano{0}}alumina ép, cùng nhiều vật liệu khác. Chúng có mật độ thấp, độ dẫn nhiệt thấp và khả năng chịu nhiệt-cao, đồng thời có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và hàng không vũ trụ.
Vật liệu cách nhiệt Alumina aerogel
Quá trình điều chế aerogel alumina chủ yếu bao gồm các bước hình thành sol, tạo gel, lão hóa và sấy khô.
Trong quá trình điều chế aerogel alumina, muối nhôm trước tiên thường được chuyển thành dung dịch hoặc sol, sau đó trải qua các phản ứng hóa học để tạo thành gel và cuối cùng gel được sấy khô để thu được alumina aerogel. Quá trình này tập trung vào phương pháp sol{1}}gel, kết hợp với các kỹ thuật sấy khô khác nhau để bảo toàn cấu trúc mạng lưới nano. Aerogel oxit được điều chế thông qua phương pháp sol-gel mang lại tính linh hoạt cao cho quy trình, đặc tính mẫu vượt trội và sự phát triển quy trình hoàn thiện hơn, khiến đây trở thành hướng chính cho việc chuẩn bị alumina aerogel.
Vật liệu cách nhiệt ép nano-alumina
Vật liệu cách nhiệt ép nano-alumina bao gồm một cấu trúc xốp được hình thành bằng cách đóng gói các hạt nano-alumina. Các lỗ chân lông dồi dào có hiệu quả ngăn chặn sự dẫn nhiệt phân tử khí; bộ xương rắn có độ dẫn nhiệt thấp; và kích thước hạt nano làm tăng đáng kể sự tán xạ nhiệt, làm giảm tính dẫn nhiệt.
Phương pháp chuẩn bị vật liệu cách nhiệt ép nano-alumina chủ yếu liên quan đến việc kết hợp các hạt bột nano-alumina làm ma trận với vật liệu gia cố để phát triển vật liệu cách nhiệt-hiệu suất cao. Các kỹ thuật chuẩn bị có thể được chia thành tạo hình khô và tạo hình ướt.
Hình thành khô: Tạo hình khô được thực hiện không có chất lỏng hoặc chỉ với một lượng nhỏ chất lỏng, trong đó ma trận nano và vật liệu gia cố được trộn lẫn rồi ép khô. Phương pháp này nhẹ nhàng, dễ thực hiện và thân thiện với môi trường. Cụ thể, bột nano{4}}, vật liệu gia cố, chất kết dính và các nguyên liệu thô rắn khác được trộn đều bằng phương tiện cơ học, sau đó hỗn hợp này được nạp vào khuôn và ép trong các điều kiện cụ thể bằng cách sử dụng máy ép để thu được vật liệu tổng hợp nano.
Hình thành ướt: Tạo hình ướt sử dụng bột oxit nano{0}} làm nguyên liệu thô. Trong quá trình trộn, một chất lỏng như nước khử ion được thêm vào làm dung môi. Thông qua khuấy cơ học, nguyên liệu thô được trộn thành hỗn hợp sệt có độ lưu động nhất định. Sau đó, bùn được đổ vào khuôn và loại bỏ dung môi bằng cách lọc, sấy khô, xử lý nhiệt hoặc các phương pháp khác để thu được vật liệu cách nhiệt nano{4}}oxit.
Vật liệu cách nhiệt ép nano-alumina được tạo ra bằng phương pháp tạo hình ướt có độ dẫn nhiệt-ở nhiệt độ phòng tương tự như độ dẫn nhiệt của vật liệu-khô. Hơn nữa, sự hiện diện của dung môi cho phép trộn nguyên liệu thô đồng đều hơn, mang lại khả năng phân tán tốt hơn; việc kiểm soát công thức bùn dễ dàng hơn và điều chỉnh chính xác các thông số như nồng độ.