Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας

Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένης της πυκνότητας και του πορώδους της. Η κατανόηση της σχέσης τους με τις διαδρομές θερμικής αγωγιμότητας είναι ζωτικής σημασίας για τη βελτιστοποίηση της συνολικής απόδοσης μεταφοράς θερμότητας των σύνθετων στοιχείων.

Επιπλέον, η προσθήκη γραφενίου σε υλικά θερμής πρέσας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμικής αγωγιμότητας κατά τη μέτρηση κάθετα στον άξονα πρέσας για υλικά με ίση περιεκτικότητα σε γραφένιο (Σχήματα 2-4). Η μείωση αυτή είναι πιθανώς συνέπεια της μικροδομικής ανισοτροπίας που επιβάλλεται από τον προσανατολισμό των νιφάδων γραφενίου μέσα στη μήτρα της μήτρας του.

Ειδική θερμοχωρητικότητα

Η ειδική θερμοχωρητικότητα (SHC) ενός υλικού μετράει πόση ενέργεια χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία του κατά έναν βαθμό Κελσίου, εκφρασμένη σε Joule ανά χιλιόγραμμο μάζας. Η SHC παίζει ουσιαστικό ρόλο στους θερμοδυναμικούς υπολογισμούς καθώς και στον υπολογισμό της ενέργειας που απαιτείται για τη μεταβολή του όγκου ή της πίεσης των δειγμάτων.

Η αλουμίνα είναι ένα εξαιρετικά δημοφιλές κεραμικό υλικό, που χρησιμοποιείται σε πολυάριθμες εφαρμογές. Γνωστή για τις ανώτερες ηλεκτρικές μονωτικές της ιδιότητες, την υψηλή μηχανική αντοχή και τη χημική της ανθεκτικότητα, η αλουμίνα βρίσκει χρήση σε όλους τους κλάδους, όπως η μεταλλουργία, η αεροδιαστημική και η κεραμική - με μεγέθη και σχήματα προσαρμοσμένα ειδικά στις απαιτήσεις συγκεκριμένων εφαρμογών.

Η εξαιρετική δυνατότητα κατεργασίας της αλουμίνας επιτρέπει τη διαμόρφωσή της σε πολύπλοκα σχήματα, καθιστώντας την κατάλληλη για την κατασκευή εξαρτημάτων και προϊόντων υψηλής απόδοσης. Ο καθαρισμός της είναι απλός και προσφέρει υψηλή αντοχή στη διάβρωση - αυτές οι ιδιότητες καθιστούν την αλουμίνα ένα εξαιρετικό υλικό υποστρώματος για εφαρμογές μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων λόγω της οικονομικής της απόδοσης και των τεχνικών της ιδιοτήτων.

Η παρούσα έρευνα διερευνά την επίδραση του μεγέθους και της συγκέντρωσης των νανοσωματιδίων αλουμίνας (ΝΡ) στην ειδική θερμοχωρητικότητα (SHC) των νανορευστών αλουμίνας με βάση το λιωμένο αλάτι, με τα αποτελέσματα να δείχνουν μείωση της SHC με την αύξηση του μεγέθους ή της συγκέντρωσης των ΝΡ, σύμφωνα με τα ευρήματα προηγούμενων ερευνών- η μείωση αυτή μπορεί να αποδοθεί σε ενισχυμένα φαινόμενα νανοστρώματος λόγω μικρότερων μεγεθών σωματιδίων.

Η ρεολογική συμπεριφορά και η ισοβαρική ειδική θερμοχωρητικότητα αξιολογήθηκαν επίσης των ρευστών με βάση τα νανοσωματίδια αλουμίνας. Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι το βασικό ρευστό παρουσιάζει νευτώνεια συμπεριφορά, ενώ τα αιωρήματα που περιέχουν νανοσωματίδια είχαν μη νευτώνεια ιξώδη. Τα ρευστά με βάση τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν γενικά σημαντικά χαμηλότερες ειδικές θερμοχωρητικότητες (SHC) σε παρόμοια επίπεδα συγκέντρωσης και θερμοκρασίας από τα αντίστοιχα ρευστά της βάσης, ενώ η SHC για τα ρευστά με βάση τα NP αλουμίνας έχει ισχυρή συσχέτιση τόσο με τη θερμοκρασία όσο και με τη φόρτιση. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από τη μορφολογική εξέλιξη των νανοσωματιδίων αλουμίνας κατά τη διαδικασία παραγωγής τους, οδηγώντας σε πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα για τη χρήση της αλουμίνας ως αποτελεσματικό υλικό για εφαρμογές αποθήκευσης θερμικής ενέργειας. Περαιτέρω έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο οι φυσικές ιδιότητες, όπως το πορώδες και η πυκνότητα, επηρεάζουν τη SHC της αλουμίνας.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία

Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία της. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, η θερμική αγωγιμότητά της μειώνεται, λόγω της σταθερότερης κρυσταλλικής δομής της, η οποία σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες από τα ιόντα του μετάλλου αλουμινίου και του οξυγόνου που συνδέονται μεταξύ τους σε ομοιοπολικούς δεσμούς που σχηματίζουν την κρυσταλλικότητά της- οι δεσμοί αυτοί προσδίδουν στην αλουμίνα εξαιρετικές μηχανικές και χημικές ιδιότητες, όπως υψηλά σημεία τήξης, επίπεδα σκληρότητας και αντοχή έναντι ισχυρών ανόργανων οξέων όπως το ορθοφωσφορικό και το υδροφθορικό οξύ.

Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κρυσταλλική δομή και το πορώδες της- ιδίως εκείνες που περιέχουν υψηλές συγκεντρώσεις φάσης g και πορώδες. Σε θερμοκρασία δωματίου, η θερμική αγωγιμότητά της είναι κατά μέσο όρο 1200 W/mK- ο αριθμός αυτός μειώνεται με την αύξηση των θερμοκρασιών λόγω του σχηματισμού κρυσταλλικών δομών φάσης g καθώς και της μείωσης των σωματιδίων που σχηματίζουν πόρους.

Η αλουμίνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών και οι θερμικές της ιδιότητες ποικίλλουν ανάλογα με τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Οι συνήθεις χρήσεις της αλουμίνας περιλαμβάνουν κλιβάνους και ψυγεία, καθώς και ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές. Λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητάς της και των εξαιρετικών μονωτικών ιδιοτήτων της, η αλουμίνα αποτελεί ένα εξαιρετικό υλικό για την παροχή διεργασιών ψύξης με διεργασίες ψύξης, ενώ παράλληλα χρησιμεύει ως υλικό ηλεκτρικής μόνωσης.

Υπάρχουν διάφορες διαθέσιμες μέθοδοι για τη βελτίωση των θερμικών ιδιοτήτων της αλουμίνας, όπως η αλλαγή του μεγέθους των κόκκων της ή η αλλαγή της χημικής της σύστασης. Για παράδειγμα, η παρασκευή σκόνης με μικρότερους κόκκους και μεγαλύτερη επιφάνεια θα αυξήσει τη θερμική αγωγιμότητα, ενώ η παχύτερη πάστα με μεγαλύτερους όγκους πόρων και χαμηλότερες πυκνότητες μπορεί να προσφέρει ακόμη περισσότερες βελτιώσεις.

Ένας άλλος τρόπος αύξησης της θερμικής αγωγιμότητας της αλουμίνας είναι η χρήση σύνθετων υλικών νιτριδίου του αλουμινίου (AlN) που μπορούν να επεξεργαστούν με μηχανική κατεργασία. Αυτό το υλικό μειώνει την ευθραυστότητα, ενώ προσφέρει θερμική αγωγιμότητα άνω των 92 W/mK. Ωστόσο, το AlN είναι δαπανηρό και πολύπλοκο στην κατεργασία λόγω των τοξικών και εξειδικευμένων απαιτήσεων για φούρνο αζώτου που απαιτούνται κατά την επεξεργασία - που σημαίνει ότι μόνο ορισμένες κρυογονικές εφαρμογές το χρησιμοποιούν συνήθως.

Πορώδες

Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας ποικίλλει σημαντικά ανάλογα με το μέγεθος των πόρων και των ρωγμών της, λόγω του ότι οι μικρότεροι έχουν μειωμένη επιφάνεια και περιβάλλονται από περισσότερο στερεό υλικό- επομένως απορροφούν περισσότερη θερμότητα, ενώ οι μεγαλύτεροι πόροι εκπέμπουν θερμότητα ευκολότερα, οδηγώντας έτσι σε χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα συνολικά.

Το πορώδες της αλουμίνας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεσή της, τις μεθόδους κατασκευής και το επίπεδο θερμοκρασίας/καθαρότητας. Παρόλο που οι μηχανικοί μπορούν να προσπαθήσουν να τροποποιήσουν το πορώδες της μεταβάλλοντας αυτούς τους παράγοντες, αυτό στην πράξη είναι συχνά δύσκολο λόγω της ανάγκης για υψηλής ποιότητας σκόνες/μεθόδους παραγωγής που επιτυγχάνουν σταθερά σταθερά επίπεδα πορώδους και χημικής σύνθεσης σε κάθε παρτίδα.

Η πορώδης αλουμίνα έχει πολλαπλές χρήσεις σε μηχανολογικές εφαρμογές, από πτερύγια αεριοστροβίλων και καυστήρες έως καταλυτικούς μετατροπείς και παραγωγή ενέργειας. Χρησιμοποιείται συχνά για την αφαλάτωση και την παραγωγή ενέργειας, καθώς και για εφαρμογές αφαλάτωσης νερού που απαιτούν υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες, διαδικασίες αφαλάτωσης νερού και διαδικασίες παραγωγής ενέργειας που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Επιπλέον, η πορώδης αλουμίνα προσφέρει εξαιρετική χημική αντοχή, σταθερότητα διαστάσεων και χαμηλότερη πυκνότητα από την πυκνή αλουμίνα, καθιστώντας την πολύ πιο απλή και εύκολη στο χειρισμό και τη διαχείριση- επιπλέον, αντιστέκεται στην κάμψη υπό φορτίο, καθιστώντας την εξαιρετική επιλογή υλικού για εφαρμογές δομικών στοιχείων.

Μία από τις ευκολότερες και ακριβέστερες μεθόδους μέτρησης του πορώδους της αλουμίνας είναι η εξέταση των εικόνων SEM εγκάρσιας τομής των δειγμάτων. Αυτό θα επιτρέψει στους χρήστες να εντοπίσουν διάφορα είδη πόρων και ρωγμών μέσα σε μια επίστρωση, βοηθώντας στον προσδιορισμό της συνολικής σύνθεσής της και καθιστώντας δυνατές ακριβείς μετρήσεις με τη χρήση συστημάτων θερμικής απεικόνισης ή παρόμοιου εξοπλισμού.

Ένας τρόπος μέτρησης του πορώδους της αλουμίνας είναι η δοκιμή αεροδιαπερατότητας. Αυτή η μη καταστροφική τεχνική μετρά πόσο καλά το υλικό απορροφά και συγκρατεί ήλιο ή νερό σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες σε ένα συγκεκριμένο εύρος. Η δοκιμή αυτή μπορεί να βοηθήσει στη μέτρηση τόσο των φυσιολογικών όσο και των ασυνήθιστα υψηλών τιμών πορώδους σε υλικά αλουμίνας.

Καθαρότητα

Η αλουμίνα είναι ένα τεχνικό κεραμικό με διάφορες επιθυμητές ιδιότητες, όπως η ηλεκτρική μόνωση, η αντοχή, η πυρίμαχη ικανότητα και η αντίσταση στη διάβρωση, που την καθιστούν κατάλληλη για εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των ιατρικών συσκευών.

Ένας λόγος είναι η υψηλή θερμική αγωγιμότητα, αν και οι ακριβείς τιμές αυτής της ιδιότητας εξαρτώνται τόσο από την κρυσταλλική δομή όσο και από τα επίπεδα προσμίξεων του υλικού που χρησιμοποιείται. Ως εκ τούτου, είναι ζωτικής σημασίας να γνωρίζουν οι χρήστες πώς η θερμοκρασία επηρεάζει τη θερμική αγωγιμότητά του πριν λάβουν αποφάσεις σχετικά με τη χρήση του.

Κατά γενικό κανόνα, όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο καθαρότητας ενός υλικού αλουμίνας, τόσο καλύτερη είναι η θερμική του αγωγιμότητα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ύπαρξη λιγότερων προσμίξεων σημαίνει μειωμένη αντίσταση μεταξύ ηλεκτρονίων και φωνονίων- επιπλέον, τα χρησιμοποιούμενα στοιχεία κράματος και οι καταστάσεις τους έχουν σημαντικό ρόλο εδώ - για παράδειγμα, το νικέλιο μπορεί να μειώσει τη θερμική αγωγιμότητα λόγω της ύπαρξής του στη φάση Al2Ni, η οποία έχει χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα [1].

Η θερμοκρασία επηρεάζει σημαντικά την καθαρότητα της αλουμίνας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το σημείο τήξης της αυξάνεται με τη θερμοκρασία λόγω αλλαγών στη μικροδομή της. Συγκεκριμένα, καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται και η συγκέντρωση φάσεων g και η επακόλουθη μείωση του πορώδους.

Ο σχεδιασμός με αλουμίνα απαιτεί να γνωρίζετε τις λεπτές πτυχές της, καθώς αυτές μπορούν να έχουν άμεσο αντίκτυπο στην τελική απόδοση, ειδικά για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων. Ως εκ τούτου, είναι συνετό να συμβουλεύεστε τα τεχνικά δεδομένα που παρέχουν οι κατασκευαστές ή να διεξάγετε συγκεκριμένες δοκιμές όταν σκέφτεστε να χρησιμοποιήσετε αυτό το υλικό για μια εφαρμογή - με αυτόν τον τρόπο μπορείτε να είστε σίγουροι ότι θα λάβετε τη βέλτιστη απόδοση από αυτό και να λάβετε μια τεκμηριωμένη απόφαση σχετικά με το ποια παραλλαγή αλουμίνας θα εξυπηρετούσε καλύτερα τις ανάγκες της εφαρμογής σας.