Tepelná vodivosť oxidu hlinitého

Tepelná vodivosť oxidu hlinitého závisí od rôznych faktorov vrátane jeho hustoty a pórovitosti. Pochopenie ich vzťahu k tepelnej vodivosti má zásadný význam pre optimalizáciu celkového výkonu kompozitných komponentov pri prenose tepla.

Okrem toho pridanie grafénu do materiálov lisovaných za tepla vedie k zníženiu tepelnej vodivosti pri meraní kolmo na os lisovania pre materiály s rovnakým obsahom grafénu (obr. 2 až 4). Toto zníženie je pravdepodobne dôsledkom mikroštruktúrnej anizotropie spôsobenej orientáciou grafénových vločiek v matrici.

Špecifická tepelná kapacita

Merná tepelná kapacita (SHC) materiálu vyjadruje, koľko energie je potrebné na zvýšenie jeho teploty o jeden stupeň Celzia, vyjadrené v jouloch na kilogram hmotnosti. SHC zohráva dôležitú úlohu pri termodynamických výpočtoch, ako aj pri výpočte, koľko energie bude potrebné na zmenu objemu alebo tlaku vzoriek.

Oxid hlinitý je mimoriadne obľúbený keramický materiál, ktorý sa používa v mnohých aplikáciách. Hliník je známy svojimi vynikajúcimi elektroizolačnými vlastnosťami, vysokou mechanickou pevnosťou a chemickou odolnosťou a nachádza uplatnenie v rôznych priemyselných odvetviach vrátane metalurgie, letectva a keramiky - s veľkosťami a tvarmi prispôsobenými konkrétnym požiadavkám aplikácie.

Vynikajúca obrobiteľnosť oxidu hlinitého umožňuje jeho tvarovanie do zložitých tvarov, vďaka čomu je vhodný na výrobu vysoko výkonných súčiastok a výrobkov. Jeho čistenie je jednoduché a ponúka vysokú odolnosť proti korózii - tieto vlastnosti robia z oxidu hlinitého vynikajúci substrátový materiál pre aplikácie mikroelektronických obvodov vďaka jeho cenovej efektívnosti a technickým vlastnostiam.

Tento výskum skúma vplyv veľkosti a koncentrácie nanočastíc oxidu hlinitého (NP) na špecifickú tepelnú kapacitu (SHC) nanokapalín na báze roztavených solí, pričom výsledky ukazujú pokles SHC so zvyšujúcou sa veľkosťou alebo koncentráciou NP, čo je v súlade s predchádzajúcimi výskumnými zisteniami; toto zníženie možno pripísať zvýšeným účinkom nanovrstiev v dôsledku menších rozmerov častíc.

Hodnotilo sa aj reologické správanie a izobarická merná tepelná kapacita kvapalín na báze nanočastíc oxidu hlinitého. Naše výsledky ukázali, že základná kvapalina vykazuje newtonovské správanie, zatiaľ čo suspenzie obsahujúce nanočastice mali nenewtonovskú viskozitu. Kvapaliny na báze nanočastíc vo všeobecnosti vykazujú výrazne nižšie merné tepelné kapacity (SHC) pri podobných úrovniach koncentrácie a teploty ako ich základné kvapaliny, zatiaľ čo SHC pre kvapaliny na báze NP oxidu hlinitého má silnú koreláciu s teplotou aj zaťažením. Možno to vysvetliť morfologickým vývojom nanočastíc oxidu hlinitého počas ich výrobného procesu, čo vedie k sľubným výsledkom pre využitie oxidu hlinitého ako účinného materiálu pre aplikácie skladovania tepelnej energie. Ďalší výskum by sa mal zamerať na skúmanie vplyvu fyzikálnych vlastností, ako je pórovitosť a hustota, na SHC oxidu hlinitého.

Závislosť od teploty

Tepelná vodivosť oxidu hlinitého do značnej miery závisí od jeho teploty. Pri vyšších teplotách sa jeho tepelná vodivosť znižuje, čo je spôsobené jeho stabilnejšou kryštalickou štruktúrou, ktorá vzniká pri nižších teplotách spojením kovového hliníka a iónov kyslíka do kovalentných väzieb, ktoré vytvárajú jeho kryštalinitu; tieto väzby dávajú oxidu hlinitému vynikajúce mechanické a chemické vlastnosti vrátane vysokých teplôt tavenia, tvrdosti a odolnosti voči silným anorganickým kyselinám, ako je kyselina ortofosforečná a fluorovodíková.

Tepelná vodivosť oxidu hlinitého do značnej miery závisí od jeho kryštálovej štruktúry a pórovitosti; najmä tých, ktoré obsahujú vysokú koncentráciu fázy g a pórovitosť. Pri izbovej teplote je jeho tepelná vodivosť v priemere 1200 W/mK; toto číslo sa znižuje so zvyšujúcou sa teplotou v dôsledku tvorby kryštálových štruktúr g-fázy, ako aj zníženia počtu častíc vytvárajúcich póry.

Hliník sa dá využiť v širokej škále aplikácií a jeho tepelné vlastnosti sa menia v závislosti od zmien teploty. Medzi bežné použitia oxidu hlinitého patria pece a chladiče, ako aj elektrické a elektronické aplikácie. Vďaka svojej nízkej tepelnej vodivosti a vynikajúcim izolačným vlastnostiam je Alumina vynikajúcim materiálom na zabezpečenie chladiacich procesov s chladiacimi procesmi a zároveň slúži ako elektroizolačný materiál.

Na zlepšenie tepelných vlastností oxidu hlinitého máte k dispozícii rôzne metódy, napríklad zmenu veľkosti jeho zŕn alebo zmenu jeho chemického zloženia. Napríklad výroba prášku s menšími zrnami a väčšou plochou povrchu zvýši tepelnú vodivosť, zatiaľ čo hrubšia pasta s väčším objemom pórov a nižšou hustotou môže poskytnúť ešte ďalšie zlepšenie.

Ďalším spôsobom zvýšenia tepelnej vodivosti oxidu hlinitého je použitie obrábateľných kompozitov nitridu hliníka (AlN). Tento materiál znižuje krehkosť a zároveň ponúka tepelnú vodivosť viac ako 92 W/mK. AlN je však nákladný a zložitý na obrábanie kvôli toxickým a špecializovaným požiadavkám na dusíkové pece potrebné počas spracovania - čo znamená, že sa zvyčajne používa len v niektorých kryogénnych aplikáciách.

Pórovitosť

Tepelná vodivosť oxidu hlinitého sa výrazne líši v závislosti od veľkosti pórov a trhlín, pretože menšie póry majú menší povrch a sú obklopené väčším množstvom pevného materiálu; preto absorbujú viac tepla, zatiaľ čo väčšie póry teplo ľahšie vyžarujú, čo vedie k celkovo nižšej tepelnej vodivosti.

Pórovitosť oxidu hlinitého do značnej miery závisí od jeho zloženia, výrobných metód a teploty/úrovne čistoty. Hoci sa inžinieri môžu pokúsiť upraviť jeho pórovitosť zmenou týchto faktorov, v praxi je to často náročné, pretože je potrebná vysoká kvalita práškov/výrobných metód, ktoré konzistentne dosahujú konzistentné úrovne pórovitosti a chemické zloženie v každej dávke.

Porézny oxid hlinitý má mnohostranné využitie v technických aplikáciách, od lopatiek plynových turbín a horákov až po katalyzátory a výrobu energie. Často sa využíva pri odsoľovaní a výrobe energie, ako aj pri aplikáciách odsoľovania vody, ktoré si vyžadujú vysoké tlaky a teploty, pri procesoch odsoľovania vody a pri výrobe energie, ktoré si vyžadujú vysoké teploty a tlaky. Okrem toho porézny oxid hlinitý ponúka vynikajúcu chemickú odolnosť, rozmerovú stabilitu a nižšiu hustotu ako hustý oxid hlinitý, vďaka čomu sa s ním oveľa jednoduchšie a ľahšie manipuluje a manipuluje; navyše odoláva ohýbaniu pri zaťažení, čo z neho robí vynikajúcu voľbu materiálu pre aplikácie konštrukčných komponentov.

Jednou z najjednoduchších a najpresnejších metód merania pórovitosti oxidu hlinitého je skúmanie prierezových snímok SEM vzoriek. To umožní používateľom identifikovať rôzne druhy pórov a trhlín v povlaku, čo pomôže určiť jeho celkové zloženie a umožní presné merania pomocou termovíznych systémov alebo podobných zariadení.

Jedným zo spôsobov merania pórovitosti oxidu hlinitého je test priepustnosti vzduchu. Touto nedeštruktívnou technikou sa meria, ako dobre materiál absorbuje a zadržiava hélium alebo vodu pri určitých teplotách v danom rozsahu. Táto skúška môže pomôcť pri meraní normálnych aj abnormálne vysokých hodnôt pórovitosti materiálov z oxidu hlinitého.

Čistota

Hliník je technická keramika s viacerými žiaducimi vlastnosťami vrátane elektrickej izolácie, pevnosti, lámavosti a odolnosti proti korózii, vďaka čomu je vhodná na použitie vrátane zdravotníckych pomôcok.

Jedným z dôvodov je jeho vysoká tepelná vodivosť, hoci presné hodnoty tejto vlastnosti závisia od kryštalickej štruktúry a úrovne prímesí použitého materiálu. Preto je veľmi dôležité, aby každý používateľ pred rozhodnutím o použití vedel, ako teplota ovplyvňuje jeho tepelnú vodivosť.

Všeobecne platí, že čím vyššia je čistota materiálu oxidu hlinitého, tým lepšia je jeho tepelná vodivosť. Je to preto, že menej prímesí znamená menší odpor medzi elektrónmi a fonónmi; okrem toho tu majú vplyv aj použité legujúce prvky a ich stavy - napríklad nikel môže znížiť tepelnú vodivosť, pretože sa nachádza vo fáze Al2Ni, ktorá má nižšiu tepelnú vodivosť [1].

Teplota má vplyv na čistotu oxidu hlinitého. Je to preto, že jeho teplota topenia sa zvyšuje s teplotou v dôsledku zmien v jeho mikroštruktúre; konkrétne, so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje koncentrácia fázy g a následne sa znižuje jej pórovitosť; v konečnom dôsledku to vedie k zníženiu hmotnostnej mernej tepelnej kapacity materiálu.

Pri navrhovaní s použitím oxidu hlinitého je potrebné poznať jeho jemnosti, pretože môžu mať priamy vplyv na jeho konečný výkon, najmä pri vysokovýkonných aplikáciách. Preto je pri zvažovaní použitia tohto materiálu na aplikáciu rozumné konzultovať technické údaje poskytované výrobcami alebo vykonať špecifické testy - tak si môžete byť istí, že z neho získate optimálny výkon, a urobiť informované rozhodnutie o tom, ktorý variant oxidu hlinitého by najlepšie poslúžil potrebám vašej aplikácie.