ידוע היטב שאלומינה היא שחקן מרכזי בין חומרי המילוי המוליכים תרמית. -ל-Al₂O₃ מוליכות תרמית של כ-33-36 W/(m·K) והתנגדות נפח של כ-10¹⁰ Ω·cm, מה שהופך אותו למילוי מוליך תרמי ומבודד חשמלי מצוין. מורפולוגיות החלקיקים של -Al₂O₃ כוללות צורות כדוריות, פתיתים, לא סדיר רב-זוויתי, דמוי תולעת, אליפסואיד וצורות אחרות; גודל החלקיקים שלו נע בין קנה מידה ננו, תת מיקרון, לקנה מידה מיקרוני; ומבנה החלקיקים שלו יכול להיות רב גבישי או יחיד-גבישי. למיקרו-מבנים שונים אלה יש השפעה משמעותית על הביצועים של חומרים מוליכים תרמית.
אלומינה רגילה, בשל פני השטח שלה מכילים מספר רב של קבוצות הידרוקסיל והיותה קוטבית גבוהה, ניתנת למילוי בשמני סיליקון או שרפים אפוקסי בלבד בעומסים נמוכים, מה שמקשה על עמידה בדרישות התעשייתיות. לשם השוואה, אלומינה כדורית מאפשרת שבר מילוי גבוה בהרבה. הכדוריות הגבוהה ושטח הפנים הספציפי הנמוך שלו מאפשרים אריזה בצפיפות- גבוהה, המניבות תערובות עם צמיגות נמוכה ונזילות טובה שקל לפיזור אחיד. יתר על כן, הוא בעל בידוד חשמלי מעולה, יציבות תרמית גבוהה, מקדם התפשטות תרמית נמוך ותכונות מכניות טובות, מה שהופך אותו למתאים ליישומים בעלי ביצועים גבוהים, כגון אריזה אלקטרונית.
כמובן, אם מוליכות תרמית בלבד נחשבת, פתית אלומינה היא הבחירה האופטימלית. חלקיקי פתיתים יוצרים קשר בקלות זה עם זה כדי ליצור מסלולי הולכה תרמית "פנים-ל-פנים" עם התנגדות נמוכה ויעילות העברה תרמית גבוהה. יחד עם זאת, המשטחים החלקים שלהם נקשרים בקלות עם שרשראות מקרו-מולקולריות פולימריות ויוצרים מבנים מקושרים- המקלים על העברת חום. לאלומינה פתית כזו יש גם מקדם התפשטות תרמית מתכוונן, המסייע לשפר את היציבות הממדית של חומרי ממשק תרמי.
עם זאת, בייצור בפועל, אלומינה פתיתים נוטה להגביר את הצמיגות של מערכת הפולימר, ומשפיעה על ביצועי העיבוד, והיא נוטה לשקיעה, מה שמוביל לרבדים של החומר. לכן, הוא דורש דרישות גבוהות יותר של תהליך היווצרות, וזו הסיבה העיקרית ליישום מוגבל יחסית שלו ברפידות סיליקון מוליכות תרמית.
לפיכך, בהתבסס על הדרישות ליציבות, ביצועים גבוהים ועלות נמוכה במערכות אלומינה מוליכות תרמית בעלות מורפולוגיות שונות, חומרי מילוי אלומינה מוליכים תרמית מרוכבים-המושגים על ידי אריזה צפופה של חומרי מילוי כדוריים, מעין-כדוריים וזוויתיים לבניית רשת מוליכות תרמית על ידי יצירת ממשק מוליכות תרמית. חומרים-צפויים לקבל יישום נרחב, עם ביקוש גובר בשוק.
מבחינת טוהר, לאלומינה סטנדרטית יש בדרך כלל טוהר של כ-99.8%. עם זאת, כאשר מזוקקים לאלומינה ברמת טוהר של 99.99% גבוה-, המוליכות התרמית שלו משתפרת עוד יותר. הסיבה לכך היא שזיהומים ופגמים באלומינה מפריעים לזרימה החלקה של פונונים בתנודות הסריג. טומאה נפוצה המשפיעה באופן משמעותי על מוליכות תרמית היא נתרן; בתור מתכת אלקלית, נתרן גורם לעיוות של מבנה הגביש, ובכך מעכב את זרימת החום. לאלומינה רגילה עשויה להיות תכולת נתרן העולה על 100 עמודים לדקה, בעוד שאלומינה בטוהר- גבוה המיוצרת באמצעות תהליכים יעילים וברי קיימא יכולה לשמור על תכולת נתרן מתחת ל-10 עמודים לדקה. הודות לתכולת הטומאה הנמוכה והמבנה האחיד שלה, אלומינה בטוהר- גבוה מאפשרת הובלת פונון טובה יותר ומספקת ביצועים תרמיים מעולים.
אבל כאשר המבנה של אלומינה משתנה לארכיטקטורה נקבוביות, הוא מציג בידוד תרמי מעולה ותכונות עקשן. למה זה? הסיבות העיקריות הן כדלקמן:
מצד אחד, המוליכות התרמית של אותו חומר משתנה בהתאם לטמפרטורה. ככל שהטמפרטורה בכבשנים תעשייתיים עולה, המוליכות התרמית של האלומינה יורדת ברציפות; ב-1200 מעלות, המוליכות התרמית שלו היא בערך מחצית מזו של 400 מעלות. עם זאת, המוליכות התרמית של האלומינה בטמפרטורת החדר היא 20-30 W/(m·K), ואפילו ב-1200 מעלות בכבשן-בטמפרטורה גבוהה, היא יכולה להגיע לכמעט 10 W/(m·K)-עדיין גבוהה מחומרים רבים אחרים. לכן, התנהגות הבידוד של האלומינה נובעת ביסודה משינויים במבנה שלה.
כאשר אלומינה משמשת כחומר מוליך תרמית, היא דורשת בדרך כלל צפיפות גבוהה וטוהר גבוה כדי למזער את מרכיבי הפאזה הזכוכית הנובעת מהסדרים אטומיים או יוניים לא מסודרים. עם זאת, המאפיין הייחודי ביותר של אלומינה כמבודד תרמי הוא המבנה הנקבובי והנמוך שלו בצפיפות-. המוליכות התרמית הנמוכה שלו, החוזק המכני הגבוה וטמפרטורת השירות הגבוהה הופכים אותו לבחירה אידיאלית לבטנות עקשן בכבשנים תעשייתיים.
חומרי בידוד תרמי מדכאים ביעילות את המסלולים של הולכת חום, הסעה וקרינה באמצעות המבנה ההרכבי הייחודי שלהם, ובכך משיגים בידוד יעיל. העברת חום בחומרי בידוד מתרחשת בעיקר בשלושה מסלולים: הולכה תרמית מוצקה-, הולכה תרמית של גז- והעברת חום קרינה. בין אלה, הולכה מוצקה- היא החשובה ביותר; אפילו בטמפרטורות גבוהות יחסית, החום המועבר דרך השלב המוצק עדיין מהווה כ-70%.
במבנים נקבוביים כאלה, הולכת חום מוצקה-מתקדמת בעיקר באמצעות שני נתיבים: האחד הוא העברת חום דרך הגז בתוך הנקבוביות, הכוללת הסעת אוויר, העברת קרינה והעברת חום עקב תנועה מולקולרית של גז; השני הוא עדיין העברת שלב מוצק, אבל כיוון זרימת החום משתנה, ומרחיב מאוד את נתיב העברת החום הכולל. לכן, קרמיקה אלומינה נקבובית יכולה, במידה מסוימת, לעכב הן מוליכות תרמית והן קרינה תרמית, ולספק למעשה בידוד תרמי.
סיווג של חומרי בידוד תרמי אלומינה ננו-נקבובית
חומרי בידוד תרמיים של אלומינה ננו-נקבובית כוללים בעיקר חומרי בידוד אלומינה איירגל וחומרי בידוד ננו-אלומינה דחוסים, בין היתר. הם כוללים צפיפות נמוכה, מוליכות תרמית נמוכה ועמידות-בטמפרטורה גבוהה, ויש להם סיכויי יישום רחבים בתעשיות ובתעופה וחלל.
חומרי בידוד אלומינה אירוג'ל
תהליך ההכנה של אירוג'לים אלומינה כולל בעיקר שלבי היווצרות סול, ג'לציה, יישון וייבוש.
בהכנת אירוג'לים של אלומינה, מלחי אלומיניום מומרים תחילה לתמיסה או לסול, אשר לאחר מכן עוברים תגובות כימיות ליצירת ג'ל, ולבסוף מייבשים את הג'ל כדי לקבל את האירוג'ל האלומינה. תהליך זה מתרכז בשיטת הסול-ג'ל, בשילוב עם טכניקות ייבוש שונות לשימור מבנה הרשת הננו-נקבובית. אירוג'לים אוקסיד שהוכנו בשיטת הסול-ג'ל מציעים גמישות חזקה בתהליך, תכונות מדגם מעולות ופיתוח תהליך בוגר יותר, מה שהופך את זה לכיוון העיקרי להכנת ג'ל אוויר אלומינה.
חומרי בידוד דחוסים של ננו-אלומינה
חומרי בידוד ננו-אלומינה דחוסים מורכבים ממבנה נקבובי שנוצר מאריזה של חלקיקי ננו-אלומינה. הנקבוביות השופעות חוסמות ביעילות את הולכת חום מולקולרית של גז; לשלד המוצק יש מוליכות תרמית נמוכה; וגודל החלקיקים הננומטריים מגביר באופן משמעותי את פיזור החום, ומפחית את המוליכות התרמית.
שיטת ההכנה לחומרי בידוד ננו-אלומינה דחוסה כוללת בעיקר שילוב של חלקיקי אבקת ננו-אלומינה כמטריצה עם חומרי חיזוק לפיתוח חומרי בידוד בעלי ביצועים גבוהים.- ניתן לחלק בגדול את טכניקות ההכנה לייצור יבש ולייצור רטוב.
היווצרות יבשה: יצירה יבשה מתבצעת ללא נוזלים או עם כמות קטנה בלבד של נוזל, כאשר הננו-מטריקס וחומרי החיזוק מעורבבים ולאחר מכן יבשים-. שיטה זו עדינה, פשוטה לתפעול וידידותית לסביבה. באופן ספציפי, אבקות ננו-, חומרי חיזוק, קלסרים וחומרי גלם מוצקים אחרים מעורבבים באופן אחיד באמצעים מכניים, ואז התערובת מועמסת לתבנית ונלחצת בתנאים ספציפיים באמצעות מכבש כדי להשיג את החומר המרוכב הננו-.
יצירת רטוב: יצירה רטובה משתמשת באבקות ננו-תחמוצת כחומרי גלם. במהלך תהליך הערבוב, מוסיפים נוזל כמו מים מופחתים כממס. באמצעות ערבוב מכני מערבבים את חומרי הגלם לכדי תמיסה עם נזילות מסוימת. לאחר מכן יוצקים את התרחיץ לתוך תבנית, והממס מוסר על ידי סינון, ייבוש, טיפול בחום או שיטות אחרות כדי להשיג את חומר הבידוד ננו-אוקסיד.
לחומרי בידוד דחוסים של ננו-אלומינה המיוצרים על ידי יצירה רטובה יש מוליכות תרמית של -חדר דומה לזו של חומרים יבשים-. יתר על כן, נוכחות הממס מאפשרת ערבוב אחיד יותר של חומרי גלם, המספקת פיזור טוב יותר; קל יותר לשלוט בניסוח הסלרי ולהתאים במדויק פרמטרים כגון ריכוז.