Tepelná vodivost oxidu hlinitého

Tepelná vodivost oxidu hlinitého závisí na různých faktorech, včetně jeho hustoty a pórovitosti. Pochopení jejich vztahu k tepelně vodivým cestám je zásadní pro optimalizaci celkového výkonu kompozitních součástí při přenosu tepla.

Přidání grafenu do materiálů lisovaných za tepla navíc vede ke snížení tepelné vodivosti při měření kolmo k ose lisování u materiálů se stejným obsahem grafenu (obr. 2-4). Toto snížení je pravděpodobně důsledkem mikrostrukturní anizotropie způsobené orientací grafenových vloček v matrici.

Měrná tepelná kapacita

Měrná tepelná kapacita (SHC) materiálu udává, kolik energie je třeba ke zvýšení jeho teploty o jeden stupeň Celsia, vyjádřeno v joulech na kilogram hmotnosti. SHC hraje zásadní roli při termodynamických výpočtech a také při výpočtu, kolik energie bude třeba ke změně objemu nebo tlaku vzorků.

Hliník je mimořádně oblíbený keramický materiál, který se používá v mnoha aplikacích. Hliník je známý svými vynikajícími elektroizolačními vlastnostmi, vysokou mechanickou pevností a chemickou odolností a nachází uplatnění v různých průmyslových odvětvích, včetně metalurgie, leteckého průmyslu a keramiky - s velikostmi a tvary přizpůsobenými konkrétním požadavkům aplikace.

Vynikající obrobitelnost oxidu hlinitého umožňuje jeho tvarování do složitých tvarů, takže je vhodný pro výrobu vysoce výkonných součástí a výrobků. Jeho čištění je jednoduché a nabízí vysokou odolnost proti korozi - tyto vlastnosti činí z oxidu hlinitého díky jeho cenové výhodnosti a technickým vlastnostem vynikající substrátový materiál pro aplikace v mikroelektronických obvodech.

Tento výzkum zkoumá vliv velikosti a koncentrace nanočástic oxidu hlinitého (NP) na měrnou tepelnou kapacitu (SHC) roztavených nanokapalin na bázi soli, přičemž výsledky ukazují pokles SHC s rostoucí velikostí nebo koncentrací NP, což je v souladu s předchozími výzkumnými zjištěními; toto snížení lze přičíst zvýšenému účinku nanovrstev v důsledku menší velikosti částic.

U kapalin na bázi nanočástic oxidu hlinitého bylo rovněž hodnoceno jejich reologické chování a izobarická měrná tepelná kapacita. Naše výsledky ukázaly, že základní kapalina vykazuje newtonovské chování, zatímco suspenze obsahující nanočástice měly nenewtonovskou viskozitu. Kapaliny na bázi nanočástic obecně vykazují výrazně nižší měrné tepelné kapacity (SHC) při podobných úrovních koncentrace a teploty než jejich protějšky v základní kapalině, zatímco SHC u kapalin na bázi NP oxidu hlinitého má silnou korelaci s teplotou i zatížením. To lze vysvětlit morfologickým vývojem nanočástic oxidu hlinitého během jejich výrobního procesu, což vede k slibným výsledkům pro využití oxidu hlinitého jako účinného materiálu pro aplikace skladování tepelné energie. Další výzkum by se měl zaměřit na zkoumání vlivu fyzikálních vlastností, jako je pórovitost a hustota, na SHC oxidu hlinitého.

Závislost na teplotě

Tepelná vodivost oxidu hlinitého závisí do značné míry na jeho teplotě. Při vyšších teplotách se jeho tepelná vodivost snižuje, což je způsobeno jeho stabilnější krystalickou strukturou, která vzniká při nižších teplotách spojením kovového hliníku a iontů kyslíku do kovalentních vazeb, které tvoří jeho krystalickou strukturu; tyto vazby dávají oxidu hlinitému vynikající mechanické a chemické vlastnosti, včetně vysokých bodů tání, tvrdosti a odolnosti vůči silným anorganickým kyselinám, jako je kyselina ortofosforečná a fluorovodíková.

Tepelná vodivost oxidu hlinitého do značné míry závisí na jeho krystalové struktuře a pórovitosti; zejména těch, které obsahují vysokou koncentraci fáze g a pórovitost. Při pokojové teplotě je jeho tepelná vodivost v průměru 1200 W/mK; toto číslo se snižuje se zvyšující se teplotou v důsledku tvorby krystalových struktur fáze g a také redukce částic tvořících póry.

Hliník lze využít v široké škále aplikací a jeho tepelné vlastnosti se mění v závislosti na změnách teploty. Mezi běžná použití oxidu hlinitého patří pece a chladiče a také elektrické a elektronické aplikace. Díky své nízké tepelné vodivosti a vynikajícím izolačním vlastnostem je Alumina vynikajícím materiálem pro zajištění chladicích procesů s chladicími procesy a zároveň slouží jako elektroizolační materiál.

Pro zlepšení tepelných vlastností oxidu hlinitého jsou k dispozici různé metody, například změna velikosti zrn nebo změna jeho chemického složení. Například výroba prášku s menšími zrny a větším povrchem zvýší tepelnou vodivost, zatímco hustší pasta s větším objemem pórů a nižší hustotou může poskytnout ještě další zlepšení.

Dalším způsobem, jak zvýšit tepelnou vodivost oxidu hlinitého, je použití obrobitelných kompozitů z nitridu hliníku (AlN). Tento materiál snižuje křehkost a zároveň nabízí tepelnou vodivost přes 92 W/mK. AlN je však nákladný a složitý na obrábění kvůli toxickým a specializovaným požadavkům na dusíkové pece, které jsou nutné při zpracování - to znamená, že se obvykle používá pouze v některých kryogenních aplikacích.

Pórovitost

Tepelná vodivost oxidu hlinitého se značně liší v závislosti na velikosti pórů a trhlin, protože menší póry mají menší povrch a jsou obklopeny větším množstvím pevného materiálu; proto absorbují více tepla, zatímco větší póry teplo snáze vyzařují, což vede k celkově nižší tepelné vodivosti.

Pórovitost oxidu hlinitého do značné míry závisí na jeho složení, výrobních metodách a teplotě/úrovni čistoty. Přestože se inženýři mohou pokusit upravit jeho pórovitost změnou těchto faktorů, je to v praxi často náročné, protože je zapotřebí vysoce kvalitních prášků/výrobních metod, které konzistentně dosahují konzistentní úrovně pórovitosti a chemického složení v každé šarži.

Porézní oxid hlinitý má mnohostranné využití ve strojírenství, od lopatek plynových turbín a hořáků až po katalyzátory a výrobu energie. Často se používá pro odsolování a výrobu energie, jakož i pro aplikace odsolování vody vyžadující vysoké tlaky a teploty, procesy odsolování vody a provozy výroby energie vyžadující vysoké teploty a tlaky. Pórovitý oxid hlinitý navíc nabízí vynikající chemickou odolnost, rozměrovou stabilitu a nižší hustotu než hustý oxid hlinitý, takže je mnohem jednodušší a snadněji se s ním manipuluje; navíc odolává ohybu při zatížení, což z něj činí vynikající volbu materiálu pro aplikace konstrukčních součástí.

Jednou z nejjednodušších a nejpřesnějších metod měření pórovitosti oxidu hlinitého je zkoumání snímků příčných řezů SEM vzorků. To uživatelům umožní identifikovat různé druhy pórů a trhlin v povlaku, což pomůže určit jeho celkové složení a umožní přesná měření pomocí termovizních systémů nebo podobných zařízení.

Jedním ze způsobů měření pórovitosti oxidu hlinitého je zkouška propustnosti vzduchu. Tato nedestruktivní technika měří, jak dobře materiál absorbuje a zadržuje helium nebo vodu při určitém rozsahu teplot. Tato zkouška může pomoci měřit normální i abnormálně vysoké hodnoty pórovitosti materiálů z oxidu hlinitého.

Purity

Hliník je technická keramika s několika žádoucími vlastnostmi, včetně elektrické izolace, pevnosti, žáruvzdornosti a odolnosti proti korozi, díky čemuž je vhodná pro aplikace včetně lékařských přístrojů.

Jedním z důvodů je jeho vysoká tepelná vodivost, ačkoli přesné hodnoty této vlastnosti závisí na krystalické struktuře i na obsahu příměsí v použitém materiálu. Proto je nezbytné, aby každý uživatel před rozhodnutím o použití věděl, jak teplota ovlivňuje jeho tepelnou vodivost.

Obecně platí, že čím vyšší je stupeň čistoty materiálu oxidu hlinitého, tím lepší je jeho tepelná vodivost. Je to proto, že menší množství nečistot znamená menší odpor mezi elektrony a fonony; navíc zde hrají roli použité legující prvky a jejich stavy - například nikl může snižovat tepelnou vodivost, protože existuje ve fázi Al2Ni, která má nižší tepelnou vodivost [1].

Teplota má vliv na čistotu oxidu hlinitého. Je to proto, že jeho bod tání se zvyšuje s teplotou v důsledku změn v jeho mikrostruktuře; konkrétně se zvyšující se teplotou roste koncentrace fáze g a následně se snižuje její pórovitost, což v konečném důsledku vede ke snížení hmotnostní měrné tepelné kapacity materiálu.

Při navrhování s oxidem hlinitým je třeba znát jeho jemnosti, protože mohou mít přímý vliv na jeho konečný výkon, zejména u vysoce výkonných aplikací. Při zvažování použití tohoto materiálu pro určitou aplikaci je proto vhodné konzultovat technické údaje poskytované výrobci nebo provést konkrétní testy - tak si můžete být jisti, že z něj získáte optimální výkon, a učinit informované rozhodnutí o tom, která varianta oxidu hlinitého bude nejlépe sloužit potřebám vaší aplikace.