Aluminiumoksid Ledningsevne

Aluminiumoksid er et av de hardeste tekniske keramikkmaterialene, og utmerker seg ved sin overlegne styrke, kjemiske bestandighet og varmeledningsevne. Aluminiumoksid har bred anvendelse innen en rekke sektorer, blant annet luftfart (RF-moduler, radarer og laserrør), medisinske anvendelser som krever sikker varmeavledning, samt varmestyring generelt.

Nylig ble termisk modell for tomme 3D-AAO-membraner undersøkt, og dette viste at fremstillingen av dem kan styres ved hjelp av geometriske parametere (lengde og antall tverrgående nanokanaler).

Elektrisk ledningsevne

Den elektriske ledningsevnen til aluminiumoksid avhenger av renhetsgraden og varmebehandlingsprosessen. Det er derfor avgjørende å kjøpe aluminiumoksidkeramikk av høy kvalitet som er fri for krom, titan, zirkoniumoksid og tinn til høyspenningsanvendelser, da denne typen keramikk har bedre elektrisk ledningsevne samt overlegen styrke og ildfasthet.

Aluminiumoksid er vanligvis en elektrisk isolator, men ved høyere temperaturer blir det en ionisk leder på grunn av aluminiumets reduserende egenskaper og dets tendens til å oksidere spontant i luft. Et beskyttende lag av aluminiumoksid forhindrer at dette skjer og gjør håndteringen tryggere for brukerne.

Siden aluminiumoksid er en utmerket elektrisk leder, har det mange anvendelsesområder innen produksjon av kondensatorer og elektrolytkondensatorer på grunn av sin høye effektivitet og kostnadseffektivitet. Videre brukes aluminiumoksid også til produksjon av keramiske elektriske isolatorer og dielektrika.

Aluminiumoksid skiller seg ut blant keramiske materialer på grunn av sine overlegne elektriske egenskaper, i tillegg til at det er svært korrosjonsbestandig og bioinert, noe som gjør det egnet for ulike bruksområder som krever høy temperaturbestandighet. Videre overgår dets dielektriske motstand mot krypning og gjennomtrengning standardkeramikkens betydelig.

Aluminiumoksids forbedrede motstand mot krypning og gjennomtrengning kan redusere konditioneringstiden for høyspenning og størrelsen på terminaler betydelig, samt gjøre det mulig for produsenter å miniatyrisere komponenter samtidig som effekttapet reduseres. Videre kan den forbedrede dielektriske motstanden bidra til at produsenter kan miniatyrisere komponenter. Aluminiumoksid har også høyere ledningsevne.

Anodisering beskytter aluminiumoksid mot korrosjon som skyldes reaksjon med oksygen i luften, ved å belegge det med aluminiumoksid og ytterligere styrke det gjennom anodiseringen. Anodiseringen fører imidlertid til redusert ledningsevne.

Forskerne gjennomførte tester i oscillerende skjærmodus for å fastslå den elektriske ledningsevnen til aluminiumoksid, og undersøkte både dets ioniske og ledende egenskaper samt partikkelvolumfraksjonen og den elektriske feltstyrken i komposittene for å fastslå den elektriske ledningsevnen. Resultatene viste at partikkelvolumfraksjonen økte med økende ionisk ledningsevne, mens elektriske felt førte til at partiklene ble ionisk polariserte, noe som skapte dipolmomenter og økte kjedefastheten med nesten to størrelsesordener, samt økte lagringsmodulen med nesten to størrelsesordener.

Termisk konduktivitet

Aluminium er et isolerende, varmeledende metall med overlegen varmeoverføringseffektivitet på grunn av de sterke kovalente og ioniske kjemiske bindingene mellom ionene, og dets varmeledningsevne avtar med stigende temperatur fordi det blir mindre energi tilgjengelig for overføring. Ved romtemperatur forblir imidlertid varmeledningsevnen til rent aluminium relativt konstant; ledningsevnen påvirkes kun av legeringselementer som er til stede i faste løsninger eller i utfellingsprosesser. Aluminiumoksidkeramikk har bedre varmeledningsevne enn silisiumbaserte materialer og er derfor utmerkede isolatorer. Aluminiumoksidfliser kan også brukes som beskyttende foring i drivstoffledninger og røykgasskanaler på kullkraftverk for å beskytte områder med høyere slitasje mot erosjon og slitasje.

Aluminiumoksidkeramikk har lenge vært brukt i kryotekniske anvendelser, men det er kun gjennomført begrenset forskning på materialets mekaniske og termiske egenskaper ved kryogene temperaturer. For å kunne utnytte disse materialene effektivt innen kryoteknikk er det avgjørende å forstå hvordan mikrostrukturen og morfologien påvirker ytelsen ved lave temperaturer.

Energilagringskapasiteten i aluminiumoksid varierer med mikrostrukturen og porøsiteten. Energilagringskapasiteten til aluminiumoksid avhenger av mikrostrukturen og porøsiteten; varmeledningsevnen øker med krystallinitet, men avtar med amorfitet; mikrostrukturen kan bestemmes av typen elektrolytt som brukes ved anodisering og betingelsene for gløding; vanligvis gir høyere temperaturer og lengre glødingsperioder bedre mekaniske egenskaper med redusert amorfitet i den krystallinske fraksjonen av aluminiumoksid.

I tillegg påvirker legeringselementer som forekommer i fast løsning eller i deres eksisterende tilstander også varmeledningsevnen til aluminiumslegeringer. Sporstoffer som Cr, V, Mn, Ti og Zn kan redusere varmeledningsevnen betydelig; i utfelt tilstand har de høy oppløselighet i aluminium, noe som øker motstanden, men som samtidig har en uventet positiv innvirkning på styrken til disse legeringene.

Jia m.fl. oppdaget at morfologien til det eutektiske silisiumet i Al-Si-legeringer kan ha stor innvirkning på deres varmeledningsevne. De observerte at ved å anvende modifiseringsbehandlinger, for eksempel med fosfor (P) som modifikator, ble varmeledningsevnen forbedret etter modifiseringsbehandlingen, noe som resulterte i forbedrede hypereutektiske Al-Si-legeringer med høyere varmeledningsevne og styrke. Med denne kunnskapen til rådighet kan industrien fremstille aluminiumslegeringer med både eksepsjonell varmeledningsevne og styrkeegenskaper.

Ionisk ledningsevne

Aluminium er et elektrisk ledende metall som regnes som et av verdens mest ledende metaller, sammen med sølv og kobber. Ledningsevnen til materialer avhenger av faktorer som antall atomer og elektronenes oppstilling – jo flere elektroner det er i metallene, desto bedre leder de strøm. Endringer i tykkelsen kan øke ledningsevnen for aluminiumoksid, men dette vil samtidig redusere motstanden. Måleenheter for ledningsevne inkluderer Siemens per meter. Aluminiumoksidets korrosjonsbestandighet bidrar til å opprettholde dets ledningsevne som elektrisk leder.

Ledningsevnen til aluminiumoksid avhenger i stor grad av temperaturen. Ved høyere temperaturer avtar ledningsevnen fordi atomene pakker seg tettere sammen og får høyere energi; omvendt, når temperaturen synker, beveger de seg nærmere hverandre og får lavere energi, noe som fører til en økning i ledningsevnen.

Ledningsevnen til aluminiumoksid avhenger av dets kjemiske og strukturelle sammensetning. Ledningsevnen gjør det derfor ideelt for elektriske anvendelser, blant annet ledninger og batterier. Aluminiumets atomer holdes sammen av protoner og nøytroner, mens elektronene kan bevege seg fritt.

Aluminiumoksid er en ikke-støkiometrisk forbindelse, og dette gjenspeiles i dets ledningsevne. Ledningsevnen til støkiometrisk b-Al₂O₃ er lavere enn for ikke-støkiometrisk b-Al₂O₃, mens dets ioneledningsevne kan være sammenlignbar med flytende elektrolytter som brukes i litium-ion-batterier.

For å forbedre aluminiumoksydets elektriske ledningsevne kan man blande inn tilleggsmaterialer som zirkoniumoksid, silisiumdioksid og kromoksid – noe som gir sammensetningen økt styrke, hardhet og andre ønskelige egenskaper. Disse tilsetningene øker aluminiumoksydets elektriske ledningsevne. Disse egenskapene kan gjøre aluminiumoksyd mer motstandsdyktig mot korrosjon, slitasje og utmattingsskader. Dessverre kan de imidlertid også redusere ledningsevnen, da tilsetningen reduserer elektronettheten i aluminiumoksydets struktur. Aluminiumoksydets overlegne ioneledningsevne er avgjørende for dets holdbarhet og pålitelighet i elektroniske anvendelser. For å måle den nøyaktig bør man benytte AC-elektrokjemisk impedansspektroskopi (EIS) med gullpastaelektroder. Målingene ble utført på prøver bestående av a-aluminiumoksid + YSZ, Na-b”-aluminiumoksid og Na-b”-aluminiumoksid + YSZ, som var syntetisert i dampfase ved ulike temperaturer for å undersøke omdannelseskinetikken og natriumionisk ledningsevne hos de produserte faste elektrolyttene.

Kjemisk ledningsevne

Aluminiumoksid, bedre kjent som alumina, er et av de mest utbredte tekniske keramikkmaterialene på markedet i dag. Alumina, som finnes i omtrent 15% av jordskorpen, har imponerende mekaniske og elektriske egenskaper, som høy hardhet, slitestyrke, lav erosjon og bioinertitet – i tillegg til at det er svært stabilt ved høye temperaturer og motstandsdyktig mot sterke syrer.

Selv om aluminiumoksid har imponerende mekaniske egenskaper, fungerer det først og fremst som en elektrisk isolator på grunn av sin kjemiske sammensetning, som hindrer ioner i å passere gjennom det, kombinert med de store partikkelstørrelsene. Ionkonduktiviteten til aluminiumoksid øker med økende renhet og temperatur.

Aluminas kjemiske egenskaper gjør det egnet for bruk i ulike industrielle anvendelser, fra keramiske isolatorer til vakuumpumper og komponenter til transdusere til medisinske implantater, foringer til høytemperatur-gassturbiner og våpenkomponenter. Aluminiumoksid har utmerkede termiske og elektriske egenskaper, i tillegg til å være bioinert og kostnadseffektivt – egenskaper som gjør det til det foretrukne materialet i mange krevende situasjoner.

Aluminiumoksid skiller seg ut fra de fleste keramiske materialer ved at det er forsterket med grafen, noe som forbedrer ytelsen betydelig. Som en effektiv leder bidrar grafen til å forsterke dets bemerkelsesverdige egenskaper, samtidig som det gjør aluminiumoksid opptil 100 millioner ganger mer ledende for elektrisitet enn tidligere. Videre krever tilsetning av grafen bare at man tilsetter små mengder pulver ved høy temperatur før sintringen finner sted.

Forsterkning med grafen forbedrer aluminiumoksydets mekaniske styrke og motstand mot sprekkutbredelse, samtidig som de øvrige fysiske egenskapene forblir på samme nivå som hos uforsterket aluminiumoksyd. Denne nye teknologien kan utvide bruksområdet betydelig for anvendelser som krever de høyest mulige standarder for pålitelighet og sikkerhet.

For å sikre at aluminiumoksid har fremragende elektriske og mekaniske egenskaper, bør det kun benyttes råpulver av ypperste kvalitet og sintringsprosesser av høyeste standard. Det kreves nøye utvelgelse av råpulveret, samtidig som nøyaktig regulering av sintringsprosedyrene må opprettholdes for å oppnå tette legemer med små kornstørrelser. Associated Ceramics utmerker seg ved å produsere denne typen aluminiumoksidlegemer og har opparbeidet seg et fremragende rykte for å produsere dimensjonsnøyaktige deler som er enkle å lodde.