Den termiske ledningsevnen til aluminiumoksid

Varmeledningsevnen i aluminiumoksid avhenger av en rekke faktorer, blant annet dens tetthet og porøsitet. Det er avgjørende å forstå forholdet mellom disse faktorene og varmeledningsevnen for å kunne optimalisere komposittkomponenters totale varmeoverføringsytelse.

I tillegg fører tilsetning av grafen til varmpressede materialer til redusert varmeledningsevne målt vinkelrett på presseaksen for materialer som inneholder like mye grafen (fig. 2-4). Denne reduksjonen er sannsynligvis en konsekvens av mikrostrukturell anisotropi som følge av grafenflakets orientering i matriksmatrisen.

Spesifikk varmekapasitet

Den spesifikke varmekapasiteten (SHC) til et materiale måler hvor mye energi som skal til for å heve temperaturen med én Celsius-grad, uttrykt som Joule per kilo masse. SHC spiller en viktig rolle i termodynamiske beregninger, samt ved beregning av hvor mye energi som kreves for å endre volum eller trykk i prøver.

Alumina er et usedvanlig populært keramisk materiale som brukes i en rekke bruksområder. Alumina er kjent for sine overlegne elektrisk isolerende egenskaper, sin høye mekaniske styrke og kjemiske holdbarhet, og brukes i en rekke bransjer, blant annet metallurgi, romfart og keramikk - med størrelser og former som er skreddersydd til spesifikke bruksområder.

Aluminiumoksyds utmerkede bearbeidingsegenskaper gjør at det kan formes til komplekse former, noe som gjør det egnet for produksjon av komponenter og produkter med høy ytelse. Det er enkelt å rengjøre og har høy korrosjonsbestandighet - disse egenskapene gjør aluminiumoksid til et utmerket substratmateriale for mikroelektroniske kretser på grunn av dets kostnadseffektivitet og tekniske egenskaper.

Denne forskningen undersøker effekten av størrelsen og konsentrasjonen av nanopartikler av aluminiumoksid (NP) på den spesifikke varmekapasiteten (SHC) til smeltede saltbaserte nanofluider av aluminiumoksid. Resultatene viser en reduksjon i SHC med økende NP-størrelse eller -konsentrasjon, noe som samsvarer med tidligere forskningsresultater; denne reduksjonen kan tilskrives forbedrede nanolagseffekter på grunn av mindre partikkelstørrelser.

Reologisk oppførsel og isobarisk spesifikk varmekapasitet ble også vurdert for alumina nanopartikkelbaserte væsker. Resultatene våre viste at basevæsken oppfører seg newtonsk, mens suspensjoner som inneholder nanopartikler, har en ikke-newtonsk viskositet. Nanopartikler-baserte væsker har generelt betydelig lavere spesifikk varmekapasitet (SHC) ved tilsvarende konsentrasjons- og temperaturnivåer enn basisvæskene, mens SHC for alumina NP-baserte væsker har en sterk korrelasjon til både temperatur og belastning. Dette kan forklares med den morfologiske utviklingen av alumina-nanopartikler under produksjonsprosessen, noe som gir lovende resultater for bruk av alumina som et effektivt materiale for lagring av termisk energi. Videre forskning bør fokusere på å undersøke hvordan fysiske egenskaper som porøsitet og tetthet påvirker SHC for aluminiumoksid.

Temperaturavhengighet

Varmeledningsevnen til aluminiumoksid avhenger i stor grad av temperaturen. Ved høyere temperaturer synker varmeledningsevnen fordi den mer stabile krystallstrukturen dannes ved lavere temperaturer ved at aluminiummetall- og oksygenioner bindes sammen i kovalente bindinger som danner krystalliniteten. Disse bindingene gir alumina utmerkede mekaniske og kjemiske egenskaper, inkludert høye smeltepunkter, hardhetsnivåer og motstand mot sterke uorganiske syrer som ortofosforsyre og flussyre.

Varmeledningsevnen i aluminiumoksid avhenger i stor grad av krystallstrukturen og porøsiteten, spesielt de som inneholder høye konsentrasjoner av g-fase og porøsitet. Ved romtemperatur er varmeledningsevnen i gjennomsnitt 1200 W/mK. Dette tallet synker med økende temperatur på grunn av dannelse av krystallstrukturer i g-fasen samt reduksjon av poredannende partikler.

Alumina kan brukes i en lang rekke bruksområder, og de termiske egenskapene varierer avhengig av temperaturendringer. Alumina brukes ofte i ovner og kjølere samt i elektriske og elektroniske applikasjoner. På grunn av den lave varmeledningsevnen og de utmerkede isolasjonsegenskapene er alumina et utmerket materiale for kjøleprosesser, samtidig som det fungerer som elektrisk isolasjonsmateriale.

Det finnes ulike metoder for å forbedre de termiske egenskapene til aluminiumoksid, for eksempel ved å endre kornstørrelsen eller den kjemiske sammensetningen. For eksempel vil pulver med mindre korn og større overflateareal øke varmeledningsevnen, mens tykkere pasta med høyere porevolum og lavere tetthet kan gi ytterligere forbedringer.

En annen måte å øke aluminiumoksidens varmeledningsevne på er å bruke maskinbearbeidbare kompositter av aluminiumnitrid (AlN). Dette materialet reduserer sprøheten samtidig som det har en varmeledningsevne på over 92 W/mK. AlN er imidlertid kostbart og komplisert å bearbeide på grunn av giftige og spesialiserte nitrogenovner som kreves under bearbeidingen - noe som betyr at det vanligvis bare brukes i kryogene applikasjoner.

Porøsitet

Varmeledningsevnen i aluminiumoksid varierer betydelig avhengig av størrelsen på porene og sprekkene, fordi mindre porer har mindre overflateareal og er omgitt av mer fast materiale. De absorberer derfor mer varme, mens større porer lettere avgir varme, noe som fører til lavere varmeledningsevne totalt sett.

Porøsiteten til aluminiumoksid avhenger i stor grad av sammensetning, produksjonsmetoder og temperatur/renhetsgrad. Selv om ingeniører kan forsøke å påvirke porøsiteten ved å endre disse faktorene, er det ofte utfordrende å gjøre dette i praksis, fordi man trenger pulver/produksjonsmetoder av høy kvalitet som konsekvent oppnår konsistente porøsitetsnivåer og kjemisk sammensetning i hver batch.

Porøs aluminiumoksid har mange bruksområder innen tekniske anvendelser, fra gassturbinblader og brennere til katalysatorer og kraftproduksjon. Det brukes ofte til avsalting og kraftproduksjon samt til avsalting av vann som krever høye trykk og temperaturer, avsaltingsprosesser og kraftproduksjon som krever høye temperaturer og trykk. Porøs aluminiumoksid har dessuten utmerket kjemisk bestandighet, dimensjonsstabilitet og lavere tetthet enn tett aluminiumoksid, noe som gjør den mye enklere og lettere å håndtere og manipulere.

En av de enkleste og mest presise metodene for å måle porøsiteten i aluminiumoksid er å undersøke SEM-tverrsnittbilder av prøver. På den måten kan man identifisere ulike typer porer og sprekker i belegget, og man kan bestemme den generelle sammensetningen og foreta nøyaktige målinger ved hjelp av termiske bildesystemer eller lignende utstyr.

En måte å måle porøsiteten i aluminiumoksid på er ved hjelp av en luftgjennomtrengelighetstest. Denne ikke-destruktive teknikken måler hvor godt materialet absorberer og holder på helium eller vann ved bestemte temperaturer over et gitt område. Denne testen kan bidra til å måle både normale og unormalt høye verdier av porøsitet i aluminiumoksidmaterialer.

Renhet

Aluminiumoksid er en teknisk keramikk med en rekke gode egenskaper, blant annet elektrisk isolasjon, styrke, ildfasthet og korrosjonsbestandighet - noe som gjør den velegnet til bruk i blant annet medisinsk utstyr.

En av grunnene er den høye varmeledningsevnen, selv om de nøyaktige verdiene for denne egenskapen avhenger av både krystallstrukturen og forurensningsnivået i materialet som brukes. Derfor er det avgjørende at alle brukere kjenner til hvordan temperaturen påvirker varmeledningsevnen før de tar beslutninger om bruk.

Som en generell regel gjelder det at jo høyere renhetsgrad et aluminiumoksidmateriale har, desto bedre er varmeledningsevnen. Dette skyldes at mindre urenheter betyr redusert motstand mellom elektroner og fononer. I tillegg spiller legeringselementene som brukes og deres tilstand en viktig rolle her - for eksempel kan nikkel redusere varmeledningsevnen fordi det finnes i Al2Ni-fasen, som har lavere varmeledningsevne [1].

Temperaturen har stor innvirkning på renheten til aluminiumoksid. Dette skyldes at smeltepunktet stiger med temperaturen på grunn av endringer i mikrostrukturen. Når temperaturen stiger, stiger også konsentrasjonen av g-faser og den påfølgende reduksjonen i porøsitet, noe som i siste instans fører til redusert massebasert spesifikk varmekapasitet for materialet.

Når man skal designe med aluminiumoksid, må man være klar over materialets finesser, ettersom de kan ha direkte innvirkning på den endelige ytelsen, spesielt når det gjelder applikasjoner med høy ytelse. Derfor er det lurt å konsultere de tekniske dataene fra produsentene eller utføre spesifikke tester når du vurderer å bruke dette materialet til en applikasjon - på denne måten kan du være sikker på å få optimal ytelse fra det og ta en informert beslutning om hvilken aluminiumoksidvariant som passer best til dine applikasjonsbehov.