La conduttività termica dell'allumina

La conducibilità termica dell'allumina dipende da vari fattori, tra cui la densità e la porosità. La comprensione della loro relazione con i percorsi di conduzione termica è fondamentale per ottimizzare le prestazioni complessive di trasferimento del calore dei componenti compositi.

Inoltre, l'aggiunta di grafene ai materiali pressati a caldo determina una diminuzione della conduttività termica se misurata perpendicolarmente all'asse di pressatura per i materiali contenenti lo stesso contenuto di grafene (Figure 2-4). Questa diminuzione è probabilmente una conseguenza dell'anisotropia microstrutturale imposta dall'orientamento delle scaglie di grafene nella matrice.

Capacità termica specifica

La capacità termica specifica (SHC) di un materiale misura quanta energia occorre per aumentare la sua temperatura di un grado Celsius, espressa in Joule per chilogrammo di massa. La SHC svolge un ruolo essenziale nei calcoli termodinamici e nel calcolo dell'energia necessaria per modificare il volume o la pressione dei campioni.

L'allumina è un materiale ceramico eccezionalmente popolare, utilizzato in numerose applicazioni. Conosciuta per le sue superiori proprietà di isolamento elettrico, l'elevata resistenza meccanica e la durabilità chimica, l'allumina trova impiego in diversi settori, tra cui la metallurgia, l'aerospaziale e la ceramica, con dimensioni e forme personalizzate in base alle specifiche esigenze applicative.

L'eccellente lavorabilità dell'allumina ne consente la formazione in forme complesse, rendendola adatta alla produzione di componenti e prodotti ad alte prestazioni. La sua pulizia è semplice e offre un'elevata resistenza alla corrosione: queste qualità rendono l'allumina un eccellente materiale di substrato per le applicazioni dei circuiti microelettronici, grazie alla sua economicità e alle sue qualità tecniche.

Questa ricerca esplora l'effetto della dimensione e della concentrazione delle nanoparticelle di allumina (NP) sulla capacità termica specifica (SHC) dei nanofluidi di allumina a base di sali fusi. I risultati mostrano una diminuzione della SHC con l'aumento della dimensione o della concentrazione delle NP, in linea con i risultati di ricerche precedenti; questa riduzione può essere attribuita a un aumento degli effetti dei nanostrati dovuti alle dimensioni delle particelle più piccole.

Sono stati valutati anche il comportamento reologico e la capacità termica specifica isobarica dei fluidi a base di nanoparticelle di allumina. I risultati hanno dimostrato che il fluido di base ha un comportamento newtoniano, mentre le sospensioni contenenti nanoparticelle presentano viscosità non newtoniane. I fluidi a base di nanoparticelle mostrano in genere capacità termiche specifiche (SHC) significativamente più basse a livelli di concentrazione e temperatura simili rispetto alle loro controparti di fluidi di base, mentre la SHC per i fluidi a base di NP di allumina ha forti correlazioni sia con la temperatura che con il carico. Ciò può essere spiegato dall'evoluzione morfologica delle nanoparticelle di allumina durante il loro processo di produzione, portando a risultati promettenti per l'utilizzo dell'allumina come materiale efficace per le applicazioni di accumulo di energia termica. Ulteriori indagini dovrebbero concentrarsi sul modo in cui le proprietà fisiche, come la porosità e la densità, influenzano l'SHC dell'allumina.

Dipendenza dalla temperatura

La conducibilità termica dell'allumina dipende fortemente dalla sua temperatura. A temperature più elevate, la sua conducibilità termica diminuisce, a causa della sua struttura cristallina più stabile che si forma a temperature più basse grazie agli ioni di alluminio e ossigeno che si uniscono in legami covalenti che formano la sua cristallinità; questi legami conferiscono all'allumina eccellenti proprietà meccaniche e chimiche, tra cui elevati punti di fusione, livelli di durezza e resistenza agli acidi inorganici forti come l'acido ortofosforico e l'acido fluoridrico.

La conducibilità termica dell'allumina dipende fortemente dalla sua struttura cristallina e dalla sua porosità; in particolare, da quelle contenenti alte concentrazioni di fase g e porosità. A temperatura ambiente, la conducibilità termica è in media di 1200 W/mK; questo valore diminuisce con l'aumentare della temperatura a causa della formazione di strutture cristalline di fase g e della riduzione delle particelle che formano i pori.

L'allumina può essere utilizzata in un'ampia gamma di applicazioni e le sue proprietà termiche variano a seconda delle variazioni di temperatura. Gli usi più comuni dell'allumina includono forni e raffreddatori, nonché applicazioni elettriche ed elettroniche. Grazie alla sua bassa conducibilità termica e alle sue eccellenti proprietà isolanti, l'allumina è un materiale eccellente per fornire processi di raffreddamento con processi di raffreddamento e allo stesso tempo come materiale isolante elettrico.

Esistono vari metodi per migliorare le proprietà termiche dell'allumina, ad esempio modificandone la granulometria o la composizione chimica. Ad esempio, la produzione di polvere con grani più piccoli e una maggiore area superficiale aumenterà la conduttività termica, mentre una pasta più spessa con un volume di pori più elevato e una densità più bassa può fornire ulteriori miglioramenti.

Un altro modo per aumentare la conduttività termica dell'allumina è l'utilizzo di compositi di nitruro di alluminio (AlN) lavorabili. Questo materiale riduce la fragilità e offre una conduttività termica di oltre 92 W/mK. Tuttavia, l'AlN è costoso e complesso da lavorare, a causa della tossicità e della necessità di un forno specializzato per l'azoto durante la lavorazione, il che significa che solo alcune applicazioni criogeniche lo utilizzano di solito.

Porosità

La conducibilità termica dell'allumina varia notevolmente in base alle dimensioni dei pori e delle fessure, in quanto quelli più piccoli hanno una superficie ridotta e sono circondati da una maggiore quantità di materiale solido; di conseguenza, assorbono più calore, mentre i pori più grandi irradiano più facilmente il calore, determinando così una conducibilità termica complessivamente inferiore.

La porosità dell'allumina dipende fortemente dalla sua composizione, dai metodi di produzione e dalla temperatura/livello di purezza. Sebbene gli ingegneri possano tentare di progettare la sua porosità modificando questi fattori, nella pratica ciò è spesso difficile da realizzare a causa della necessità di polveri e metodi di produzione di alta qualità che permettano di ottenere livelli di porosità e composizione chimica costanti in ogni lotto.

L'allumina porosa trova molteplici impieghi nelle applicazioni ingegneristiche, dalle pale e dai bruciatori delle turbine a gas ai convertitori catalitici e alla produzione di energia. Viene spesso impiegata per la desalinizzazione e la generazione di energia, nonché per applicazioni di desalinizzazione dell'acqua che richiedono pressioni e temperature elevate, processi di desalinizzazione dell'acqua e operazioni di generazione di energia che richiedono temperature e pressioni elevate. Inoltre, l'allumina porosa offre un'eccellente resistenza chimica, stabilità dimensionale e una densità inferiore rispetto all'allumina densa, che la rende molto più semplice e facile da maneggiare e manipolare; inoltre, resiste alla flessione sotto carico, il che la rende un'ottima scelta di materiale per le applicazioni di componenti strutturali.

Uno dei metodi più semplici e precisi per misurare la porosità dell'allumina è l'esame delle immagini SEM in sezione trasversale dei campioni. In questo modo è possibile identificare i vari tipi di pori e crepe all'interno di un rivestimento, contribuendo a determinarne la composizione complessiva e rendendo possibili misurazioni precise con sistemi di imaging termico o apparecchiature simili.

Un modo per misurare la porosità dell'allumina è il test di permeabilità all'aria. Questa tecnica non distruttiva misura la capacità del materiale di assorbire e trattenere l'elio o l'acqua a temperature specifiche in un determinato intervallo. Questo test può aiutare a misurare sia i valori normali che quelli anormalmente elevati di porosità nei materiali di allumina.

La purezza

L'allumina è una ceramica ingegneristica con diverse proprietà desiderabili, tra cui l'isolamento elettrico, la forza, la refrattarietà e la resistenza alla corrosione, che la rendono adatta ad applicazioni come i dispositivi medici.

Uno dei motivi è l'elevata conduttività termica, anche se i valori esatti di questa proprietà dipendono dalla struttura cristallina e dai livelli di impurità del materiale utilizzato. Pertanto, è fondamentale che gli utenti sappiano come la temperatura influisce sulla conduttività termica prima di prendere decisioni sull'uso.

In linea generale, maggiore è il livello di purezza di un materiale di allumina, migliore sarà la sua conducibilità termica. Questo perché avere meno impurità significa ridurre la resistenza tra gli elettroni e i fononi; inoltre, gli elementi di lega utilizzati e i loro stati hanno un ruolo importante in questo caso - ad esempio, il nichel può diminuire la conduttività termica perché è presente nella fase Al2Ni, che ha una conduttività termica inferiore [1].

La temperatura ha un'influenza notevole sulla purezza dell'allumina. Questo perché il suo punto di fusione aumenta con la temperatura a causa di cambiamenti nella sua microstruttura; in particolare, con l'aumento della temperatura aumenta anche la concentrazione di fase g e la conseguente diminuzione della porosità; in ultima analisi, ciò porta a una diminuzione della capacità termica specifica del materiale basata sulla massa.

Per progettare con l'allumina è necessario conoscerne le sottigliezze, che possono avere un impatto diretto sulle prestazioni finali, soprattutto per le applicazioni ad alte prestazioni. Per questo motivo, è consigliabile consultare i dati tecnici forniti dai produttori o condurre test specifici quando si prende in considerazione l'utilizzo di questo materiale per un'applicazione: in questo modo si può essere certi di ottenere prestazioni ottimali e decidere con cognizione di causa la variante di allumina più adatta alle proprie esigenze applicative.