アルミナが熱伝導性フィラーの主要な役割を担っていることはよく知られています. -Al₂O₃ の熱伝導率は約 33～36 W/(m・K)、体積抵抗率は約 10¹⁰ Ω・cm であり、優れた熱伝導性と電気絶縁性のフィラーです。 -Al₂O₃ の粒子形態には、球状、フレーク状、不規則な多角形、虫状、楕円体などの形状が含まれます。-その粒径はナノスケール、サブミクロン、ミクロンスケールに及びます。その粒子構造は多結晶または単結晶になります。-これらの異なる微細構造は、熱伝導性材料の性能に大きな影響を与えます。
通常のアルミナは表面に水酸基を多く含み極性が高いため、シリコーンオイルやエポキシ樹脂への充填量が低く、工業的な要求に応えることが困難でした。比較すると、球状アルミナはかなり高い充填率を可能にします。高い真球度と低い比表面積により、高密度充填が可能になり、均一に分散しやすい低粘度で流動性の高い混合物が得られます。-さらに、優れた電気絶縁性、高い熱安定性、低い熱膨張係数、優れた機械的特性を備えているため、電子パッケージングなどの高性能アプリケーションに適しています。{4}}
もちろん、熱伝導率だけを考えればフレーク状アルミナが最適です。フレーク粒子は容易に互いに接触し、低抵抗で高い熱伝達効率を備えた「面と面の」熱伝導経路を形成します。同時に、その滑らかな表面はポリマー高分子鎖と容易に結合して、熱伝達を促進する架橋構造を形成します。-このようなフレークアルミナは、調整可能な熱膨張係数も備えており、サーマルインターフェースマテリアルの寸法安定性の向上に役立ちます。
しかし、実際の生産では、フレーク状のアルミナはポリマー系の粘度を上昇させる傾向があり、加工性能に影響を及ぼし、沈降しやすく材料の層状化を引き起こします。したがって、より高い成形プロセス要件が要求され、これが熱伝導性シリコンパッドへの用途が比較的限定されている主な理由です。
したがって、さまざまな形態の熱伝導性アルミナ系における安定性、高性能、低コストの要件に基づいて、球状、準球状、および角状のアルミナ フィラーを高密度に充填して熱伝導ネットワークを構築し、それによってサーマル インターフェース材料の熱伝導率を向上させることで達成される複合熱伝導性アルミナ フィラー材料{{0}が、市場の需要の拡大に伴い、広く応用されることが期待されています。-
純度に関して言えば、標準アルミナの純度は通常約 99.8% です。しかし、99.99% の高純度アルミナに精製すると、その熱伝導率はさらに向上します。{3}これは、アルミナ中の不純物や欠陥が格子振動におけるフォノンのスムーズな流れを妨げるためです。熱伝導率に大きな影響を与える一般的な不純物はナトリウムです。ナトリウムはアルカリ金属であるため、結晶構造の歪みを引き起こし、熱の流れを妨げます。従来のアルミナはナトリウム含有量が 100 ppm を超える場合がありますが、効率的かつ持続可能なプロセスで製造された高純度アルミナはナトリウム含有量を 10 ppm 未満に抑えることができます。{8}高純度アルミナは、不純物含有量が低く、構造が均一であるため、より優れたフォノン輸送を可能にし、優れた熱性能を実現します。-
しかし、アルミナの構造が多孔質構造に変化すると、優れた断熱性と耐火性を発揮します。これはなぜでしょうか?主な理由は次のとおりです。
一方で、同じ材料の熱伝導率は温度によって変化します。工業用窯の温度が上昇するにつれて、アルミナの熱伝導率は継続的に低下します。 1200 度では、熱伝導率は 400 度の約半分になります。それにもかかわらず、アルミナの室温での熱伝導率は 20～30 W/(m・K) であり、高温の窯で 1200 度の熱伝導率を持った場合でも、他の多くの材料よりもさらに高い 10 W/(m・K)- 近くに達することがあります。したがって、アルミナの絶縁挙動は基本的にその構造の変化によるものです。
アルミナを熱伝導性材料として使用する場合、一般に、原子またはイオンの配列の乱れから生じるガラス相成分を最小限に抑えるために、高密度および高純度が必要です。しかし、断熱材としてのアルミナの最も際立った特徴は、多孔質で低密度の構造であることです。-低い熱伝導率、高い機械的強度、高い使用温度により、工業用窯の耐火物ライニングとして理想的な選択肢となります。
断熱材は、その独自の配合構造により熱の伝導、対流、輻射の経路を効果的に抑制し、効率的な断熱を実現します。断熱材内の熱伝達は、主に固相熱伝導、気相熱伝導、放射熱伝導という 3 つの経路を通じて発生します。-。これらの中で、固相伝導が最も重要です。-比較的高温であっても、固相を介して伝達される熱は依然として約 70% を占めます。
このような多孔質構造では、固相の熱伝導は主に 2 つの経路を介して進行します。1 つは細孔内のガスを通した熱伝達で、これには空気の対流、放射伝達、およびガスの分子運動による熱伝達が含まれます。もう 1 つは依然として固相移動です-が、熱流の方向が変更され、全体の熱伝達経路が大幅に延長されます。したがって、多孔質アルミナセラミックは熱伝導と熱放射の両方をある程度妨げ、効果的に断熱効果を発揮します。
ナノポーラスアルミナ断熱材の分類
ナノ多孔質アルミナ断熱材には、主にアルミナ エアロゲル断熱材やナノアルミナ プレス断熱材などが含まれます。{0}低密度、低い熱伝導率、高い耐熱性を特徴としており、産業や航空宇宙において幅広い応用の可能性があります。-
アルミナエアロゲル断熱材
アルミナエアロゲルの調製プロセスには、主にゾル形成、ゲル化、熟成、乾燥の各ステップが含まれます。
アルミナエアロゲルの調製では、通常、アルミニウム塩は最初に溶液またはゾルに変換され、次に化学反応を受けてゲルが形成され、最後にゲルが乾燥されてアルミナエアロゲルが得られます。このプロセスはゾルゲル法を中心としており、ナノ多孔質ネットワーク構造を維持するためにさまざまな乾燥技術と組み合わせられています。{1}ゾル-ゲル法で調製された酸化物エアロゲルは、強力なプロセスの柔軟性、優れたサンプル特性、より成熟したプロセス開発を提供し、これがアルミナ エアロゲル調製の主な方向性となっています。
ナノ-アルミナプレス絶縁材
ナノ-アルミナのプレス絶縁材料は、ナノ-アルミナ粒子の充填によって形成された多孔質構造で構成されています。豊富な細孔がガス分子の熱伝導を効果的に遮断します。固体の骨格は熱伝導率が低い。また、ナノスケールの粒子サイズにより熱散乱が大幅に増加し、熱伝導率が低下します。
ナノ-アルミナプレス絶縁材料の製造方法では、主にマトリックスとしてのナノ-アルミナ粉末粒子を強化材と組み合わせて高性能絶縁材料を開発することが含まれます。-作製方法は大きく乾式成形と湿式成形に分けられます。
乾式成形: 乾式成形は液体を使用せず、または少量の液体のみを使用して実行され、ナノ-マトリックスと強化材が混合されてから乾式プレスされます。-この方法は刺激が少なく、操作が簡単で、環境に優しい方法です。具体的には、ナノ-粉末、強化材、バインダーなどの固体原料を機械的に均一に混合した後、金型に充填し、プレス機を用いて特定の条件で加圧してナノ-複合材料を得る。
湿式成形: 湿式成形では、ナノ-酸化物粉末を原料として使用します。混合プロセス中に、脱イオン水などの液体が溶媒として追加されます。機械的撹拌により、原料は一定の流動性を持ったスラリーに混合されます。次に、スラリーを型に流し込み、濾過、乾燥、熱処理などの方法で溶媒を除去して、ナノ-酸化物絶縁材料を得る。
湿式成形で製造されたナノ-アルミナ プレス断熱材は、乾式成形された材料と同様の室温熱伝導率を持ちます。-さらに、溶媒の存在により原料のより均一な混合が可能になり、分散性が向上します。スラリー配合の制御や濃度などのパラメータの正確な調整が容易になります。