Conductivitatea termică a aluminei

Conductivitatea termică în alumină depinde de diverși factori, inclusiv de densitatea și porozitatea acesteia. Înțelegerea relației acestora cu căile de conducție termică este esențială pentru optimizarea performanțelor generale de transfer termic ale componentelor compozite.

În plus, adăugarea de grafen la materialele presate la cald duce la scăderea conductivității termice atunci când este măsurată perpendicular pe axa de presare pentru materialele cu conținut egal de grafen (figurile 2-4). Această scădere este probabil o consecință a anizotropiei microstructurale impuse de orientarea fulgilor de grafen în matricea sa.

Capacitatea termică specifică

Capacitatea termică specifică (SHC) a unui material măsoară cantitatea de energie necesară pentru a crește temperatura acestuia cu un grad Celsius, exprimată în Joule pe kilogram de masă. SHC joacă un rol esențial în calculele termodinamice, precum și în calcularea cantității de energie necesare pentru a modifica volumul sau presiunea probelor.

Alumina este un material ceramic extrem de popular, utilizat în numeroase aplicații. Cunoscută pentru proprietățile sale superioare de izolare electrică, rezistență mecanică ridicată și durabilitate chimică, alumina este utilizată în industrii precum metalurgia, industria aerospațială și ceramică - cu dimensiuni și forme adaptate în mod special la cerințele specifice ale aplicațiilor.

Excelenta prelucrabilitate a aluminei îi permite să fie modelată în forme complexe, ceea ce o face potrivită pentru fabricarea de componente și produse de înaltă performanță. Curățarea sa este simplă și oferă o rezistență ridicată la coroziune - aceste calități fac din alumină un material de substrat excelent pentru aplicațiile de circuite microelectronice datorită rentabilității și calităților sale tehnice.

Această cercetare explorează efectul mărimii și concentrației nanoparticulelor (NP) de alumină asupra capacității termice specifice (SHC) a nanofluidelor de alumină pe bază de sare topită, rezultatele indicând o scădere a SHC odată cu creșterea mărimii sau concentrației NP, în concordanță cu rezultatele cercetărilor anterioare; această reducere poate fi atribuită efectelor îmbunătățite ale nanolayerelor datorate dimensiunilor mai mici ale particulelor.

De asemenea, au fost evaluate comportamentul reologic și capacitatea termică specifică izobară ale fluidelor pe bază de nanoparticule de alumină. Rezultatele noastre au demonstrat că fluidul de bază prezintă un comportament newtonian, în timp ce suspensiile care conțin nanoparticule au vâscozități non-newtoniene. Fluidele pe bază de nanoparticule prezintă, în general, capacități termice specifice (SHC) semnificativ mai mici la niveluri similare de concentrație și temperatură decât cele ale fluidelor lor de bază, în timp ce SHC pentru fluidele pe bază de NP de alumină prezintă corelații puternice atât cu temperatura, cât și cu încărcarea. Acest lucru poate fi explicat prin evoluția morfologică a nanoparticulelor de alumină în timpul procesului lor de producție, ceea ce conduce la rezultate promițătoare pentru utilizarea aluminei ca material eficient pentru aplicații de stocare a energiei termice. Cercetările ulterioare ar trebui să se concentreze pe investigarea modului în care proprietățile fizice precum porozitatea și densitatea afectează SHC al aluminei.

Dependența de temperatură

Conductivitatea termică a aluminei depinde foarte mult de temperatură. La temperaturi mai ridicate, conductivitatea sa termică scade, datorită structurii sale cristaline mai stabile care se formează la temperaturi mai scăzute prin legarea metalului aluminiu și a ionilor de oxigen în legături covalente care îi formează cristalinitatea; aceste legături conferă aluminei proprietăți mecanice și chimice excelente, inclusiv puncte de topire ridicate, niveluri de duritate și rezistență la acizi anorganici puternici, precum acizii ortofosforic și fluorhidric.

Conductivitatea termică a aluminei depinde în mare măsură de structura sa cristalină și de porozitate; în special, de cele care conțin concentrații ridicate de fază g și porozitate. La temperatura camerei, conductivitatea sa termică este în medie de 1200 W/mK; acest număr scade odată cu creșterea temperaturii datorită formării structurilor cristaline de fază g, precum și reducerii particulelor care formează pori.

Alumina poate fi utilizată într-o gamă largă de aplicații, iar proprietățile sale termice variază în funcție de schimbările de temperatură. Utilizările comune ale aluminei includ cuptoare și răcitoare, precum și aplicații electrice și electronice. Datorită conductivității sale termice scăzute și a proprietăților excelente de izolare, Alumina este un material excelent pentru asigurarea proceselor de răcire cu procese de răcire, servind în același timp ca material de izolare electrică.

Există diverse metode disponibile pentru îmbunătățirea proprietăților termice ale aluminei, cum ar fi modificarea dimensiunii granulelor sau a compoziției chimice a acesteia. De exemplu, fabricarea unei pulberi cu granule mai mici și o suprafață mai mare va crește conductivitatea termică, în timp ce o pastă mai groasă cu un volum mai mare de pori și o densitate mai mică poate oferi îmbunătățiri și mai mari.

O altă modalitate de creștere a conductivității termice a aluminei este utilizarea compozitelor prelucrabile din nitrură de aluminiu (AlN). Acest material reduce fragilitatea, oferind în același timp conductivități termice de peste 92 W/mK. Cu toate acestea, AlN este costisitor și complex de prelucrat din cauza cerințelor toxice și specializate de încălzire cu azot necesare în timpul prelucrării - ceea ce înseamnă că numai unele aplicații criogenice îl utilizează în mod obișnuit.

Porozitate

Conductivitatea termică a aluminei variază considerabil în funcție de dimensiunea porilor și a fisurilor, deoarece porii mai mici au o suprafață redusă și sunt înconjurați de mai mult material solid; prin urmare, aceștia absorb mai multă căldură, în timp ce porii mai mari radiază căldura mai ușor, ducând astfel la o conductivitate termică generală mai scăzută.

Porozitatea aluminei depinde în mare măsură de compoziția sa, de metodele de producție și de nivelul de temperatură/impurețe. Deși inginerii pot încerca să modifice porozitatea prin modificarea acestor factori, acest lucru în practică este adesea o provocare din cauza necesității unor pulberi/metode de producție de înaltă calitate care să atingă în mod constant niveluri constante de porozitate și compoziție chimică pe parcursul fiecărui lot.

Alumina poroasă are multiple utilizări în aplicații inginerești, de la palete de turbine cu gaz și arzătoare până la convertoare catalitice și generarea de energie. Este adesea utilizată pentru desalinizare și generarea de energie, precum și pentru aplicații de desalinizare a apei care necesită presiuni și temperaturi ridicate, procese de desalinizare a apei și operațiuni de generare de energie care necesită temperaturi și presiuni ridicate. În plus, alumina poroasă oferă o rezistență chimică excelentă, stabilitate dimensională și o densitate mai mică decât alumina densă, ceea ce o face mult mai simplă și mai ușor de manevrat și de manipulat; în plus, rezistă la îndoire sub sarcină, ceea ce o face o alegere excelentă de material pentru aplicații de componente structurale.

Una dintre cele mai simple și mai precise metode de evaluare a porozității aluminei este examinarea imaginilor SEM transversale ale probelor. Acest lucru va permite utilizatorilor să identifice diferite tipuri de pori și fisuri în cadrul unui strat de acoperire, ajutând la determinarea compoziției sale generale și făcând posibile măsurători precise cu ajutorul sistemelor de termoviziune sau al echipamentelor similare.

O modalitate de măsurare a porozității aluminei este un test de permeabilitate la aer. Această tehnică nedistructivă măsoară modul în care materialul absoarbe și reține heliul sau apa la anumite temperaturi, pe o anumită perioadă. Acest test poate ajuta la măsurarea valorilor normale și anormal de ridicate ale porozității materialelor din alumină.

Puritate

Alumina este o ceramică tehnică cu mai multe proprietăți dorite, inclusiv izolare electrică, rezistență, refractare și rezistență la coroziune - ceea ce o face potrivită pentru aplicații, inclusiv dispozitive medicale.

Unul dintre motive este conductivitatea sa termică ridicată, deși valorile exacte ale acestei proprietăți depind atât de structura cristalină, cât și de nivelurile de impurități ale materialului utilizat. Prin urmare, este esențial ca toți utilizatorii să cunoască modul în care temperatura afectează conductivitatea termică înainte de a lua decizii cu privire la utilizare.

Ca regulă generală, cu cât nivelul de puritate al unui material din alumină este mai ridicat, cu atât conductivitatea sa termică va fi mai bună. Acest lucru se datorează faptului că un număr mai mic de impurități înseamnă o rezistență redusă între electroni și fononi; în plus, elementele de aliere utilizate și stările lor au un rol important în acest sens - de exemplu, nichelul poate reduce conductivitatea termică din cauza existenței în faza Al2Ni, care are o conductivitate termică mai scăzută [1].

Temperatura are o influență semnificativă asupra purității aluminei. Acest lucru se datorează faptului că punctul său de topire crește odată cu temperatura din cauza schimbărilor din microstructura sa; mai exact, pe măsură ce temperatura crește, crește și concentrația fazei g și scăderea ulterioară a porozității; în cele din urmă, aceasta duce la scăderea capacității termice specifice a materialului, bazată pe masă.

Proiectarea cu alumină necesită cunoașterea subtilităților sale, deoarece acestea pot avea un impact direct asupra performanței finale, în special pentru aplicațiile de înaltă performanță. Ca atare, este înțelept să consultați datele tehnice furnizate de producători sau să efectuați teste specifice atunci când luați în considerare utilizarea acestui material pentru o aplicație - în acest fel, puteți fi siguri că veți obține performanțe optime din partea acestuia și puteți lua o decizie în cunoștință de cauză cu privire la varianta de alumină care ar răspunde cel mai bine nevoilor aplicației dumneavoastră.