เป็นที่ทราบกันดีว่าอลูมินาเป็นผู้เล่นหลักในบรรดาสารตัวเติมที่นำความร้อนได้. -Al₂O₃ มีค่าการนำความร้อนประมาณ 33–36 W/(m·K) และความต้านทานปริมาตรประมาณ 10¹⁰ Ω·cm ทำให้เป็นสารตัวเติมที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม สัณฐานวิทยาของอนุภาคของ -Al₂O₃ ได้แก่ ทรงกลม เกล็ด เชิงมุมหลาย-ไม่ปกติ คล้ายหนอน- ทรงรี และรูปแบบอื่นๆ ขนาดอนุภาคมีตั้งแต่ระดับนาโน ซับไมครอน ไปจนถึงระดับไมครอน และโครงสร้างอนุภาคอาจเป็นผลึกหลายเหลี่ยมหรือผลึกเดี่ยว-ก็ได้ โครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันเหล่านี้มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของวัสดุนำความร้อน
เนื่องจากพื้นผิวมีหมู่ไฮดรอกซิลจำนวนมากและมีขั้วสูง อลูมินาทั่วไปจึงเติมได้เฉพาะในน้ำมันซิลิโคนหรืออีพอกซีเรซินที่ปริมาณน้อย ซึ่งทำให้ยากต่อการตอบสนองความต้องการของอุตสาหกรรม ในการเปรียบเทียบ อลูมินาทรงกลมช่วยให้มีสัดส่วนการเติมที่สูงกว่ามาก ความทรงกลมสูงและพื้นที่ผิวจำเพาะต่ำทำให้มีการบรรจุที่มีความหนาแน่นสูง- ทำให้ได้ส่วนผสมที่มีความหนืดต่ำและมีความลื่นไหลดีซึ่งง่ายต่อการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ ยังมีฉนวนไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ และคุณสมบัติทางกลที่ดี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง- เช่น บรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
แน่นอนว่า หากพิจารณาการนำความร้อนเพียงอย่างเดียว อลูมินาแบบเกล็ดก็เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด อนุภาคเกล็ดจะสัมผัสกันทันทีเพื่อสร้างเส้นทางการนำความร้อน "แบบหน้า-ถึง- แบบหน้า" โดยมีความต้านทานต่ำและมีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง ในเวลาเดียวกัน พื้นผิวเรียบของพวกมันจะเกาะติดกับสายโซ่โมเลกุลขนาดใหญ่ของโพลีเมอร์ได้อย่างง่ายดาย เพื่อสร้างโครงสร้างเชื่อมโยงข้าม-ที่เอื้อต่อการถ่ายเทความร้อน อลูมินาเกล็ดดังกล่าวยังมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่ปรับได้ ซึ่งช่วยปรับปรุงความเสถียรของมิติของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน
อย่างไรก็ตาม ในการผลิตจริง เกล็ดอลูมินามีแนวโน้มที่จะเพิ่มความหนืดของระบบโพลีเมอร์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการประมวลผล และมีแนวโน้มที่จะเกิดการตกตะกอน ซึ่งนำไปสู่การแบ่งชั้นวัสดุ ดังนั้นจึงต้องการข้อกำหนดกระบวนการขึ้นรูปที่สูงขึ้น ซึ่งเป็นเหตุผลหลักสำหรับการใช้งานที่ค่อนข้างจำกัดในแผ่นซิลิโคนนำความร้อน
ดังนั้น ตามข้อกำหนดด้านความเสถียร ประสิทธิภาพสูง และต้นทุนต่ำในระบบอลูมินานำความร้อนที่มีสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกัน วัสดุตัวเติมอลูมินานำความร้อนแบบคอมโพสิต-ทำได้สำเร็จโดยการบรรจุตัวเติมอลูมินาทรงกลม กึ่ง- ทรงกลม และเชิงมุมอย่างแน่นหนาเพื่อสร้างเครือข่ายการนำความร้อน และด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มการนำความร้อนของวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน- คาดว่าจะได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายพร้อมกับความต้องการของตลาดที่เพิ่มขึ้น
ในแง่ของความบริสุทธิ์ อลูมินามาตรฐานมักจะมีความบริสุทธิ์ประมาณ 99.8% อย่างไรก็ตาม เมื่อกลั่นเป็นอลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง-ถึง 99.99% ค่าการนำความร้อนจะดีขึ้นไปอีก เนื่องจากสิ่งสกปรกและข้อบกพร่องในอลูมินารบกวนการไหลของโฟนันที่ราบรื่นในการสั่นสะเทือนของโครงตาข่าย สิ่งเจือปนทั่วไปที่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการนำความร้อนคือโซเดียม เนื่องจากโซเดียมเป็นโลหะอัลคาไล จึงทำให้โครงสร้างผลึกบิดเบี้ยว จึงเป็นอุปสรรคต่อการไหลของความร้อน อลูมินาทั่วไปอาจมีปริมาณโซเดียมเกิน 100 ppm ในขณะที่อลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง-ที่ผลิตผ่านกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและยั่งยืนสามารถรักษาปริมาณโซเดียมให้ต่ำกว่า 10 ppm เนื่องจากมีปริมาณสิ่งเจือปนต่ำและโครงสร้างที่สม่ำเสมอ -อลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงช่วยให้สามารถขนส่งโฟนอนได้ดีขึ้นและให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหนือกว่า
แต่เมื่อโครงสร้างของอลูมินาเปลี่ยนเป็นสถาปัตยกรรมที่มีรูพรุน ก็จะแสดงฉนวนกันความร้อนและคุณสมบัติทนไฟได้ดีเยี่ยม ทำไมเป็นเช่นนี้? สาเหตุหลักมีดังนี้:
ในด้านหนึ่ง ค่าการนำความร้อนของวัสดุชนิดเดียวกันจะแปรผันตามอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิในเตาเผาอุตสาหกรรมสูงขึ้น ค่าการนำความร้อนของอลูมินาจะลดลงอย่างต่อเนื่อง ที่ 1,200 องศา ค่าการนำความร้อนจะอยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของค่าที่ 400 องศา อย่างไรก็ตาม ค่าการนำความร้อนของอลูมินาที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ 20–30 W/(m·K) และแม้จะอยู่ที่ 1200 องศาในเตาเผาที่มีอุณหภูมิสูง- ก็สามารถนำความร้อนได้เกือบ 10 W/(m·K)- แต่ก็ยังสูงกว่าวัสดุอื่นๆ มากมาย ดังนั้นพฤติกรรมการเป็นฉนวนของอลูมินาจึงมีสาเหตุพื้นฐานมาจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง
เมื่ออลูมินาถูกใช้เป็นวัสดุนำความร้อน โดยทั่วไปจะต้องมีความหนาแน่นสูงและความบริสุทธิ์สูงเพื่อลดส่วนประกอบของเฟสที่เป็นแก้วที่เกิดจากการจัดเรียงอะตอมหรือไอออนิกที่ไม่เป็นระเบียบ อย่างไรก็ตาม คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของอลูมินาในฐานะฉนวนความร้อนคือโครงสร้างที่มีรูพรุนและมีความหนาแน่นต่ำ- ค่าการนำความร้อนต่ำ ความแข็งแรงเชิงกลสูง และอุณหภูมิการใช้งานสูง ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการบุวัสดุทนไฟในเตาเผาอุตสาหกรรม
วัสดุฉนวนความร้อนยับยั้งเส้นทางการนำความร้อน การพาความร้อน และการแผ่รังสีได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านโครงสร้างองค์ประกอบที่เป็นเอกลักษณ์ จึงทำให้เป็นฉนวนที่มีประสิทธิภาพ การถ่ายเทความร้อนในวัสดุฉนวนส่วนใหญ่เกิดขึ้นผ่านสามเส้นทาง: การนำความร้อนในเฟสของแข็ง- การนำความร้อนในเฟสของก๊าซ- และการถ่ายเทความร้อนแบบแผ่รังสี ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ การนำเฟสที่มั่นคง-เป็นสิ่งสำคัญที่สุด แม้ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ความร้อนที่ถ่ายเทผ่านเฟสของแข็งยังคงมีสัดส่วนประมาณ 70%
ในโครงสร้างที่มีรูพรุนดังกล่าว การนำความร้อนในเฟสของแข็ง-ดำเนินไปโดยส่วนใหญ่ผ่านสองเส้นทาง: ทางหนึ่งคือการถ่ายเทความร้อนผ่านก๊าซภายในรูพรุน ซึ่งรวมถึงการพาอากาศ การถ่ายเทรังสี และการถ่ายเทความร้อนเนื่องจากการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของก๊าซ ส่วนอีกส่วนหนึ่งยังคงเป็นการถ่ายโอนเฟสที่มั่นคง- แต่ทิศทางการไหลของความร้อนมีการเปลี่ยนแปลง ซึ่งขยายเส้นทางการถ่ายเทความร้อนโดยรวมออกไปอย่างมาก ดังนั้นเซรามิกอลูมินาที่มีรูพรุนสามารถขัดขวางทั้งการนำความร้อนและการแผ่รังสีความร้อนได้ในระดับหนึ่ง จึงทำให้เป็นฉนวนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การจำแนกประเภทของวัสดุฉนวนความร้อนอลูมินาที่มีรูพรุนระดับนาโน
วัสดุฉนวนความร้อนอลูมินาที่มีรูพรุนนาโนส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุฉนวนอลูมินาแอโรเจลและวัสดุฉนวนอลูมินาอัดนาโน- และอื่นๆ อีกมากมาย มีความหนาแน่นต่ำ การนำความร้อนต่ำ และทนทานต่ออุณหภูมิสูง- และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในอุตสาหกรรมและอวกาศ
วัสดุฉนวนอลูมินาแอโรเจล
กระบวนการเตรียมแอโรเจลอลูมินาส่วนใหญ่รวมถึงขั้นตอนการสร้างโซล การเกิดเจล การบ่ม และการทำให้แห้ง
ในการเตรียมแอโรเจลอลูมินา โดยทั่วไปเกลืออะลูมิเนียมจะถูกแปลงเป็นสารละลายหรือโซลก่อน จากนั้นจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีจนเกิดเป็นเจล และสุดท้าย เจลจะถูกทำให้แห้งเพื่อให้ได้แอโรเจลอลูมินา กระบวนการนี้มีศูนย์กลางอยู่ที่วิธีโซล-เจล รวมกับเทคนิคการทำให้แห้งต่างๆ เพื่อรักษาโครงสร้างเครือข่ายที่มีรูพรุนระดับนาโน แอโรเจลออกไซด์ที่เตรียมด้วยวิธีโซล-เจลให้ความยืดหยุ่นในกระบวนการสูง คุณสมบัติของตัวอย่างที่เหนือกว่า และการพัฒนากระบวนการที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น ทำให้นี่เป็นทิศทางหลักสำหรับการเตรียมอะลูมินาแอโรเจล
วัสดุฉนวนอลูมินาอัดนาโน-
วัสดุฉนวนอลูมินาอัดนาโน-ประกอบด้วยโครงสร้างที่มีรูพรุนซึ่งเกิดจากการอัดแน่นของอนุภาคอลูมินานาโน- รูขุมขนที่อุดมสมบูรณ์สามารถปิดกั้นการนำความร้อนของโมเลกุลของก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพ โครงกระดูกแข็งมีค่าการนำความร้อนต่ำ และขนาดอนุภาคระดับนาโนจะเพิ่มการกระเจิงความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ค่าการนำความร้อนลดลง
วิธีการเตรียมสำหรับวัสดุฉนวนอลูมินาอัดนาโน-ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการรวมอนุภาคผงอลูมินานาโน-เป็นเมทริกซ์กับวัสดุเสริมแรงเพื่อพัฒนาวัสดุฉนวนประสิทธิภาพสูง- เทคนิคการเตรียมสามารถแบ่งกว้างๆ ได้เป็นการขึ้นรูปแห้งและการขึ้นรูปเปียก
การขึ้นรูปแห้ง: การขึ้นรูปแบบแห้งจะดำเนินการโดยไม่ต้องใช้ของเหลวหรือใช้ของเหลวเพียงเล็กน้อย โดยผสมนาโน-เมทริกซ์และวัสดุเสริมแรงแล้วจึง-กดให้แห้ง วิธีนี้เป็นวิธีที่ไม่รุนแรง ใช้งานง่าย และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผงนาโน- วัสดุเสริมแรง สารยึดเกาะ และวัตถุดิบที่เป็นของแข็งอื่นๆ จะถูกผสมอย่างสม่ำเสมอด้วยวิธีกล จากนั้นจึงบรรจุส่วนผสมลงในแม่พิมพ์และกดภายใต้สภาวะเฉพาะโดยใช้เครื่องอัดเพื่อให้ได้วัสดุนาโนคอมโพสิต
การขึ้นรูปเปียก: การขึ้นรูปเปียกใช้ผงนาโน-ออกไซด์เป็นวัตถุดิบ ในระหว่างกระบวนการผสม ของเหลว เช่น น้ำปราศจากไอออน จะถูกเติมเป็นตัวทำละลาย ด้วยการกวนเชิงกล วัตถุดิบจะถูกผสมลงในสารละลายที่มีความลื่นไหล จากนั้นเทสารละลายลงในแม่พิมพ์ และตัวทำละลายจะถูกกำจัดออกโดยการกรอง ทำให้แห้ง การให้ความร้อน หรือวิธีอื่นๆ เพื่อให้ได้วัสดุฉนวนนาโน-ออกไซด์
วัสดุฉนวนอลูมินานาโน-ที่ผลิตโดยการขึ้นรูปแบบเปียกมี-การนำความร้อนที่อุณหภูมิห้องคล้ายกับวัสดุที่ขึ้นรูปแห้ง- นอกจากนี้ การมีตัวทำละลายช่วยให้สามารถผสมวัตถุดิบได้สม่ำเสมอมากขึ้น และมีการกระจายตัวที่ดีขึ้น ง่ายต่อการควบคุมสูตรของสารละลายและปรับพารามิเตอร์ เช่น ความเข้มข้น อย่างแม่นยำ