È noto che l'allumina è uno dei componenti principali tra i riempitivi termicamente conduttivi. -Al₂O₃ ha una conduttività termica di circa 33–36 W/(m·K) e una resistività di volume di circa 10¹⁰ Ω·cm, che lo rendono un eccellente riempitivo termicamente conduttivo ed elettricamente isolante. Le morfologie delle particelle di -Al₂O₃ includono forme sferiche, a scaglie, multi-angolari irregolari, a forma di verme-, ellissoidali e altre forme; la sua dimensione delle particelle varia da scala nanometrica, submicronica, a micrometrica; e la sua struttura particellare può essere policristallina o monocristallina. Queste diverse microstrutture hanno un impatto significativo sulle prestazioni dei materiali termicamente conduttivi.
L'allumina ordinaria, a causa della sua superficie contenente un gran numero di gruppi idrossilici ed essendo altamente polare, può essere riempita solo con oli siliconici o resine epossidiche a bassi carichi, rendendo difficile soddisfare le esigenze industriali. In confronto, l'allumina sferica consente una frazione di riempimento notevolmente più elevata. La sua elevata sfericità e la bassa area superficiale specifica consentono un impaccamento ad alta-densità, producendo miscele con bassa viscosità e buona fluidità facili da disperdere in modo uniforme. Inoltre, possiede un eccellente isolamento elettrico, un'elevata stabilità termica, un basso coefficiente di dilatazione termica e buone proprietà meccaniche, che lo rendono adatto per applicazioni ad alte-prestazioni come l'imballaggio elettronico.
Naturalmente, se si considera solo la conduttività termica, l'allumina in scaglie è la scelta ottimale. Le particelle di scaglie entrano facilmente in contatto tra loro per formare percorsi di conduzione termica "faccia-a-faccia" con bassa resistenza ed elevata efficienza di trasferimento termico. Allo stesso tempo, le loro superfici lisce si legano facilmente alle catene macromolecolari polimeriche per formare strutture reticolate-che facilitano il trasferimento di calore. Tale allumina in scaglie ha anche un coefficiente di dilatazione termica regolabile, che aiuta a migliorare la stabilità dimensionale dei materiali dell'interfaccia termica.
Tuttavia, nella produzione effettiva, l'allumina in scaglie tende ad aumentare la viscosità del sistema polimerico, influenzando le prestazioni di lavorazione, ed è soggetta a sedimentazione, portando alla stratificazione del materiale. Pertanto, richiede requisiti di processo di formatura più elevati, che è la ragione principale della sua applicazione relativamente limitata nei cuscinetti in silicone termicamente conduttivi.
Pertanto, sulla base dei requisiti di stabilità, prestazioni elevate e basso costo dei sistemi di allumina termicamente conduttivi con diverse morfologie, si prevede che i materiali compositi di riempimento di allumina termicamente conduttiva-ottenuti compattando riempitivi di allumina sferici, quasi-sferici e angolari per costruire una rete di conduzione termica e quindi migliorare la conduttività termica dei materiali di interfaccia termica-ottengano un'applicazione diffusa, con una crescente domanda di mercato.
In termini di purezza, l'allumina standard ha tipicamente una purezza di circa il 99,8%. Tuttavia, una volta raffinata allumina ad elevata purezza-al 99,99%, la sua conduttività termica migliora ulteriormente. Questo perché impurità e difetti nell'allumina interferiscono con il flusso regolare dei fononi nelle vibrazioni del reticolo. Un'impurità comune che influisce in modo significativo sulla conduttività termica è il sodio; essendo un metallo alcalino, il sodio provoca la distorsione della struttura cristallina, ostacolando così il flusso di calore. L'allumina convenzionale può avere un contenuto di sodio superiore a 100 ppm, mentre l'allumina ad alta-purezza prodotta tramite processi efficienti e sostenibili può mantenere il contenuto di sodio al di sotto di 10 ppm. Grazie al basso contenuto di impurità e alla struttura uniforme, l'allumina ad alta-purezza consente un migliore trasporto dei fononi e offre prestazioni termiche superiori.
Ma quando la struttura dell'allumina si trasforma in un'architettura porosa, mostra eccellenti proprietà di isolamento termico e refrattarietà. Perché è questo? I motivi principali sono i seguenti:
Da un lato, la conduttività termica dello stesso materiale varia con la temperatura. All’aumentare della temperatura nei forni industriali, la conduttività termica dell’allumina diminuisce continuamente; a 1200 gradi, la sua conduttività termica è circa la metà di quella a 400 gradi. Tuttavia, la conduttività termica dell'allumina a temperatura ambiente è di 20–30 W/(m·K) e anche a 1200 gradi in un forno ad alta-temperatura, può raggiungere quasi 10 W/(m·K)-ancora superiore a quella di molti altri materiali. Pertanto il comportamento isolante dell'allumina è fondamentalmente dovuto a cambiamenti nella sua struttura.
Quando l'allumina viene utilizzata come materiale termicamente conduttivo, generalmente richiede un'elevata densità ed elevata purezza per ridurre al minimo i componenti della fase vetrosa derivanti da disposizioni atomiche o ioniche disordinate. Tuttavia, la caratteristica più distintiva dell'allumina come isolante termico è la sua struttura porosa e a bassa-densità. La sua bassa conduttività termica, l'elevata resistenza meccanica e l'elevata temperatura di servizio lo rendono la scelta ideale per i rivestimenti refrattari nei forni industriali.
I materiali isolanti termici sopprimono efficacemente i percorsi di conduzione, convezione e radiazione del calore attraverso la loro struttura compositiva unica, ottenendo così un isolamento efficiente. Il trasferimento di calore nei materiali isolanti avviene principalmente attraverso tre percorsi: conduzione termica in fase-solida, conduzione termica in fase-gassosa e trasferimento di calore radiativo. Tra queste, la conduzione in fase solida-è la più importante; anche a temperature relativamente elevate, il calore trasferito attraverso la fase solida rappresenta ancora circa il 70%.
In tali strutture porose, la conduzione del calore in fase solida- procede principalmente attraverso due percorsi: uno è il trasferimento di calore attraverso il gas all'interno dei pori, che comprende la convezione dell'aria, il trasferimento radiativo e il trasferimento di calore dovuto al movimento molecolare del gas; l'altro è ancora un trasferimento di fase-solido, ma la direzione del flusso di calore è alterata, estendendo notevolmente il percorso complessivo del trasferimento di calore. Pertanto, le ceramiche porose di allumina possono, in una certa misura, impedire sia la conduzione termica che la radiazione termica, fornendo efficacemente isolamento termico.
Classificazione dei materiali isolanti termici in allumina nanoporosa
I materiali isolanti termici in allumina nanoporosa includono principalmente materiali isolanti in aerogel di allumina e materiali isolanti pressati in nano-allumina, tra gli altri. Sono caratterizzati da bassa densità, bassa conduttività termica e resistenza alle alte-temperature e hanno ampie prospettive di applicazione nell'industria e nel settore aerospaziale.
Materiali isolanti in aerogel di allumina
Il processo di preparazione degli aerogel di allumina comprende principalmente le fasi di formazione del sol, gelificazione, invecchiamento ed essiccazione.
Nella preparazione degli aerogel di allumina, i sali di alluminio vengono tipicamente prima convertiti in una soluzione o sol, che poi subisce reazioni chimiche per formare un gel, e infine il gel viene essiccato per ottenere l'aerogel di allumina. Questo processo è incentrato sul metodo sol-gel, combinato con diverse tecniche di essiccazione per preservare la struttura della rete nanoporosa. Gli aerogel di ossido preparati tramite il metodo sol-gel offrono una forte flessibilità del processo, proprietà del campione superiori e uno sviluppo del processo più maturo, rendendo questa la direzione principale per la preparazione dell'aerogel di allumina.
Materiali isolanti pressati con nano-allumina
I materiali isolanti pressati in nano-allumina sono costituiti da una struttura porosa formata dall'impaccamento di particelle di nano-allumina. Gli abbondanti pori bloccano efficacemente la conduzione del calore molecolare del gas; lo scheletro solido ha una bassa conducibilità termica; e la dimensione delle particelle su scala nanometrica aumenta significativamente la dispersione del calore, riducendo la conduttività termica.
Il metodo di preparazione dei materiali isolanti pressati in nano-allumina prevede principalmente la combinazione di particelle di polvere di nano-allumina come matrice con materiali di rinforzo per sviluppare materiali isolanti ad alte-prestazioni. Le tecniche di preparazione possono essere sostanzialmente suddivise in formatura a secco e formatura a umido.
Formatura a secco: La formatura a secco viene eseguita senza liquidi o con solo una piccola quantità di liquido, dove la nano-matrice e i materiali di rinforzo vengono miscelati e quindi pressati a secco-. Questo metodo è delicato, semplice da usare e rispettoso dell'ambiente. Nello specifico, nano-polveri, materiali di rinforzo, leganti e altre materie prime solide vengono miscelati uniformemente con mezzi meccanici, quindi la miscela viene caricata in uno stampo e pressata in condizioni specifiche utilizzando una pressa per ottenere il materiale nano-composito.
Formatura ad umido: La formatura a umido utilizza polveri di nano-ossido come materie prime. Durante il processo di miscelazione, come solvente viene aggiunto un liquido come acqua deionizzata. Attraverso l'agitazione meccanica, le materie prime vengono miscelate in un impasto con una certa fluidità. L'impasto liquido viene quindi versato in uno stampo e il solvente viene rimosso mediante filtrazione, essiccazione, trattamento termico o altri metodi per ottenere il materiale isolante nano-ossido.
I materiali isolanti pressati in nano-allumina prodotti mediante formatura a umido hanno una conduttività termica-a temperatura ambiente simile a quella dei materiali-formati a secco. Inoltre, la presenza del solvente consente una miscelazione più uniforme delle materie prime, garantendo una migliore disperdibilità; è più semplice controllare la formulazione dell'impasto liquido e regolare con precisione parametri come la concentrazione.