Il est bien connu que l'alumine est un acteur majeur parmi les charges thermiquement conductrices . -Al₂O₃ a une conductivité thermique d'environ 33 à 36 W/(m·K) et une résistivité volumique d'environ 10¹⁰ Ω·cm, ce qui en fait une excellente charge thermiquement conductrice et électriquement isolante. Les morphologies des particules de -Al₂O₃ comprennent des formes sphériques, en flocons, irrégulières multi-angulaires, en forme de ver-, ellipsoïdales et autres ; sa taille de particule va de l'échelle nanométrique, submicronique à l'échelle micronique ; et sa structure de particules peut être polycristalline ou monocristalline-. Ces différentes microstructures ont un impact significatif sur les performances des matériaux thermiquement conducteurs.
L'alumine ordinaire, en raison de sa surface contenant un grand nombre de groupes hydroxyle et de son caractère hautement polaire, ne peut être introduite dans des huiles de silicone ou des résines époxy qu'à faible charge, ce qui rend difficile de répondre aux demandes industrielles. En comparaison, l'alumine sphérique permet une fraction de remplissage considérablement plus élevée. Sa sphéricité élevée et sa faible surface spécifique permettent un garnissage à haute densité-, produisant des mélanges à faible viscosité et une bonne fluidité faciles à disperser uniformément. De plus, il possède une excellente isolation électrique, une stabilité thermique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et de bonnes propriétés mécaniques, ce qui le rend adapté aux applications à hautes-performances telles que les emballages électroniques.
Bien entendu, si l’on considère uniquement la conductivité thermique, l’alumine en paillettes constitue le choix optimal. Les particules de flocons entrent facilement en contact les unes avec les autres pour former des voies de conduction thermique "face-à-face" avec une faible résistance et une efficacité de transfert thermique élevée. Dans le même temps, leurs surfaces lisses se lient facilement aux chaînes macromoléculaires polymères pour former des structures réticulées-qui facilitent le transfert de chaleur. Une telle alumine en flocons possède également un coefficient de dilatation thermique réglable, ce qui contribue à améliorer la stabilité dimensionnelle des matériaux d'interface thermique.
Cependant, dans la production réelle, l'alumine en flocons a tendance à augmenter la viscosité du système polymère, affectant les performances de traitement, et est sujette à la sédimentation, conduisant à une stratification du matériau. Par conséquent, il exige des exigences plus élevées en matière de processus de formage, ce qui constitue la principale raison de son application relativement limitée dans les tampons en silicone thermoconducteurs.
Ainsi, sur la base des exigences de stabilité, de hautes performances et de faible coût dans les systèmes d'alumine thermoconducteurs avec différentes morphologies, les matériaux composites de charge d'alumine thermoconducteurs -obtenus en regroupant de manière dense des charges d'alumine sphériques, quasi-sphériques et angulaires pour construire un réseau de conduction thermique et améliorer ainsi la conductivité thermique des matériaux d'interface thermique-devraient gagner une application généralisée, avec une demande croissante du marché.
En termes de pureté, l'alumine standard a généralement une pureté d'environ 99,8 %. Cependant, une fois raffinée en alumine de haute pureté à 99,99 %, sa conductivité thermique s'améliore encore. En effet, les impuretés et les défauts de l'alumine interfèrent avec la fluidité des phonons dans les vibrations du réseau. Une impureté courante qui affecte de manière significative la conductivité thermique est le sodium ; en tant que métal alcalin, le sodium provoque une distorsion de la structure cristalline, entravant ainsi le flux de chaleur. L'alumine conventionnelle peut avoir une teneur en sodium supérieure à 100 ppm, tandis que l'alumine de haute -pureté produite via des processus efficaces et durables peut maintenir la teneur en sodium en dessous de 10 ppm. En raison de sa faible teneur en impuretés et de sa structure uniforme, l'alumine de haute -pureté permet un meilleur transport des phonons et offre des performances thermiques supérieures.
Mais lorsque la structure de l’alumine se transforme en une architecture poreuse, elle présente d’excellentes propriétés d’isolation thermique et réfractaires. Pourquoi est-ce ? Les principales raisons sont les suivantes :
D’une part, la conductivité thermique d’un même matériau varie avec la température. À mesure que la température dans les fours industriels augmente, la conductivité thermique de l'alumine diminue continuellement ; à 1 200 degrés, sa conductivité thermique est environ la moitié de celle à 400 degrés. Néanmoins, la conductivité thermique de l'alumine à température ambiante est de 20 à 30 W/(m·K), et même à 1 200 degrés dans un four à haute température-, elle peut atteindre près de 10 W/(m·K)-, encore plus élevée que de nombreux autres matériaux. Le comportement isolant de l’alumine est donc fondamentalement dû aux modifications de sa structure.
Lorsque l'alumine est utilisée comme matériau thermiquement conducteur, elle nécessite généralement une densité et une pureté élevées pour minimiser les composants de la phase vitreuse résultant d'arrangements atomiques ou ioniques désordonnés. Cependant, la caractéristique la plus distinctive de l'alumine en tant qu'isolant thermique est sa structure poreuse et de faible densité. Sa faible conductivité thermique, sa haute résistance mécanique et sa température de service élevée en font un choix idéal pour les revêtements réfractaires des fours industriels.
Les matériaux d'isolation thermique suppriment efficacement les voies de conduction thermique, de convection et de rayonnement grâce à leur structure de composition unique, obtenant ainsi une isolation efficace. Le transfert de chaleur dans les matériaux isolants s'effectue principalement par trois voies : la conduction thermique en phase solide, la conduction thermique en phase gazeuse et le transfert de chaleur radiatif. Parmi celles-ci, la conduction en phase solide-est la plus importante ; même à des températures relativement élevées, la chaleur transférée à travers la phase solide représente encore environ 70 %.
Dans de telles structures poreuses, la conduction thermique en phase solide-se déroule principalement via deux voies : l'une est le transfert de chaleur à travers le gaz à l'intérieur des pores, qui comprend la convection de l'air, le transfert radiatif et le transfert de chaleur dû au mouvement moléculaire du gaz ; l'autre est toujours un transfert en phase solide-, mais la direction du flux de chaleur est modifiée, étendant considérablement le chemin global du transfert de chaleur. Par conséquent, les céramiques poreuses d’alumine peuvent, dans une certaine mesure, entraver à la fois la conduction thermique et le rayonnement thermique, fournissant ainsi une isolation thermique efficace.
Classification des matériaux d'isolation thermique en alumine nanoporeuse
Les matériaux d'isolation thermique en alumine nanoporeuse comprennent principalement des matériaux d'isolation en aérogel d'alumine et des matériaux d'isolation pressés en nano-alumine, entre autres. Ils présentent une faible densité, une faible conductivité thermique et une résistance aux températures élevées, et ont de larges perspectives d'application dans les industries et l'aérospatiale.
Matériaux isolants en aérogel d'alumine
Le processus de préparation des aérogels d’alumine comprend principalement les étapes de formation du sol, de gélification, de vieillissement et de séchage.
Dans la préparation des aérogels d'alumine, les sels d'aluminium sont généralement d'abord convertis en une solution ou un sol, qui subit ensuite des réactions chimiques pour former un gel, et enfin le gel est séché pour obtenir l'aérogel d'alumine. Ce procédé est centré sur la méthode sol-gel, combinée à différentes techniques de séchage pour préserver la structure du réseau nanoporeux. Les aérogels d'oxyde préparés via la méthode sol-gel offrent une grande flexibilité de processus, des propriétés d'échantillon supérieures et un développement de processus plus mature, ce qui en fait la principale direction pour la préparation d'aérogels d'alumine.
Matériaux isolants pressés à base de nano-alumine
Les matériaux isolants pressés en nano-alumine sont constitués d'une structure poreuse formée par l'emballage de particules de nano-alumine. Les pores abondants bloquent efficacement la conduction thermique moléculaire du gaz ; le squelette solide a une faible conductivité thermique ; et la taille des particules à l'échelle nanométrique augmente considérablement la diffusion de la chaleur, réduisant ainsi la conductivité thermique.
La méthode de préparation des matériaux isolants pressés à base de nano-alumine consiste principalement à combiner des particules de poudre de nano-alumine comme matrice avec des matériaux de renforcement pour développer des matériaux isolants à haute-performance. Les techniques de préparation peuvent être largement divisées en formage à sec et formage par voie humide.
Formage à sec : Le formage à sec est effectué sans liquide ou avec seulement une petite quantité de liquide, où la nano-matrice et les matériaux de renforcement sont mélangés puis pressés à sec-. Cette méthode est douce, simple à mettre en œuvre et respectueuse de l’environnement. Plus précisément, les nano-poudres, les matériaux de renforcement, les liants et autres matières premières solides sont uniformément mélangés par des moyens mécaniques, puis le mélange est chargé dans un moule et pressé dans des conditions spécifiques à l'aide d'une presse pour obtenir le matériau composite nano-.
Formage humide : Le formage humide utilise des poudres de nano-oxydes comme matières premières. Pendant le processus de mélange, un liquide tel que de l'eau déminéralisée est ajouté comme solvant. Grâce à une agitation mécanique, les matières premières sont mélangées en une bouillie avec une certaine fluidité. La suspension est ensuite versée dans un moule et le solvant est éliminé par filtration, séchage, traitement thermique ou d'autres méthodes pour obtenir le matériau isolant nano-oxyde.
Les matériaux isolants pressés à base de nano-alumine produits par formage humide ont une conductivité thermique à -température ambiante similaire à celle des matériaux formés à sec-. De plus, la présence de solvant permet un mélange plus uniforme des matières premières, offrant une meilleure dispersibilité ; il est plus facile de contrôler la formulation du lisier et d'ajuster avec précision des paramètres tels que la concentration.