Αλουμίνα Αγωγιμότητα

Η αλουμίνα (Al2O3) είναι ένα προηγμένο τεχνικό κεραμικό που διαθέτει πολλές ελκυστικές φυσικές ιδιότητες, όπως εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, αντοχή και χημική σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.

Η αλουμίνα προσφέρει υψηλά επίπεδα αντοχής στη διάβρωση όταν εκτίθεται σε σκληρές χημικές ουσίες, καθιστώντας την κατάλληλη για χρήση σε όλες τις βιομηχανίες.

Θερμική αγωγιμότητα

Η ανώτερη θερμική αγωγιμότητα των κεραμικών αλουμίνας είναι ένας λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται ευρέως, καθιστώντας τα δημοφιλείς επιλογές σε διάφορες εφαρμογές. Οι ιοντικοί και ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ ιόντων αλουμινίου (Al3+) και οξυγόνου επιτρέπουν την ταχεία μεταφορά θερμότητας. Δυστυχώς, η θερμοκρασία και τα επίπεδα προσμίξεων μπορούν να μεταβάλλουν τα επίπεδα θερμικής αγωγιμότητάς του, οπότε για τον ακριβή προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητάς του είναι ζωτικής σημασίας να συμβουλευτείτε τα τεχνικά δεδομένα που παρέχονται από τους κατασκευαστές ή τη διεξαγωγή ειδικών δοκιμών προκειμένου να μετρήσετε με ακρίβεια τα επίπεδα θερμικής αγωγιμότητας του κεραμικού αλουμίνας.

Τα στοιχεία κράματος που υπάρχουν σε μια μήτρα αλουμίνας συμβάλλουν στη μείωση της θερμικής αγωγιμότητάς της. Η επίδρασή τους εξαρτάται από το είδος τους, την υπάρχουσα κατάσταση και την αλληλεπίδρασή τους με το πλέγμα του αλουμινίου- τα στοιχεία κραμάτωσης που προστίθενται μέσω στερεού διαλύματος έχουν άμεσο αρνητικό αντίκτυπο, ενώ τα καταβυθιζόμενα πρόσθετα έχουν μόνο δευτερεύοντα αποτελέσματα [23].

Ο χαλκός έχει γενικά αρνητική επίδραση στη θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας- η παρουσία του ως Al2Cu, με βαθμολογία θερμικής αγωγιμότητας 126 Wm-1K-1 σε θερμοκρασία δωματίου, ασκεί αρνητική επίδραση. Αντίθετα, το χαμηλό σημείο τήξης και η υψηλότερη ειδική θερμότητα του νικελίου έχουν ευεργετική επίδραση.

Στο πλαίσιο μιας διαδικασίας χύτευσης αλουμινίου, οι ρυθμοί ψύξης μπορούν να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στη μικροδομή και τη θερμική αγωγιμότητα. Οι βραδύτεροι ρυθμοί ψύξης συχνά παράγουν πιο ομοιόμορφο ευτηκτικό Si και χαμηλότερες θερμικές αγωγιμότητες από τις διαδικασίες χύτευσης με ταχύτερη ψύξη.

Η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας επηρεάζεται από το πορώδες και το κλάσμα φάσης g. Συνήθως τα δείγματα με υψηλότερο κλάσμα φάσης g και μειωμένο πορώδες προσφέρουν ανώτερη θερμική αγωγιμότητα.

Αξιοσημείωτο είναι επίσης ότι η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας αυξάνεται με τη θερμοκρασία γήρανσής της λόγω της χημικής μετατροπής από g σε a κατά την επεξεργασία της με την ηλικία.

Το προϊόν αλουμίνας τύπου AL-30 της ZIRCAR Ceramics διαθέτει βέλτιστη πυκνότητα όγκου και ανοιχτό πορώδες, ενώ διατηρεί καλή αντοχή σε θερμότητα έως και 1600degC, καθιστώντας το εξαιρετική επιλογή για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών που απαιτούν τόσο θερμική αγωγιμότητα όσο και κατεργασιμότητα.

Ηλεκτρική αγωγιμότητα

Η αλουμίνα (Al2O3) είναι ένα εξαιρετικά σκληρό, πυκνό κεραμικό υλικό. Σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργεί ως ηλεκτρονικός αγωγός λόγω των ισχυρών ιοντικών δεσμών μεταξύ των ατόμων που την αποτελούν, καθιστώντας την επίσης καλό ηλεκτρονικό αγωγό. Η αλουμίνα απαντάται φυσικά σε όλο τον φλοιό της γης σε διάφορες μετασταθής φάσεις που τελικά μετατρέπονται σε α-αλουμίνα (-Al2O3) μέσω θέρμανσης- η α-αλουμίνα έχει μοναδική χημική σταθερότητα και ιδιότητες σκληρότητας που την καθιστούν ελκυστικό υλικό για εφαρμογές όπως οδοντιατρικές στεφάνες, χειρουργικά εργαλεία και βαλλιστική θωράκιση.

Οι ηλεκτρικές ιδιότητες της αλουμίνας μπορούν να βελτιωθούν μέσω της πρόσμιξης ιόντων Ca, Fe, Na και K. Αυτά τα πρόσμικτα αυξάνουν την αγωγιμότητα όγκου γεμίζοντας κενές θέσεις πλέγματος στην κρυσταλλική δομή της και αυξάνοντας την αγωγιμότητα όγκου. Η πρόσμιξη μπορεί να επιτευχθεί μέσω θερμικών επεξεργασιών όπως η ανοδίωση και το θερμικό σοκ ή μέσω της προσθήκης ζιρκονίας ή νανοσωλήνων άνθρακα στην κρυσταλλική δομή της.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της αλουμίνας εξαρτάται από την καθαρότητα, τον κρυσταλλικό προσανατολισμό και την κρυσταλλογραφική δομή της. Οι πολυσθενείς προσμίξεις, όπως το χρώμιο, μπορούν να εμποδίσουν τις τιμές της αγωγιμότητας χύδην- και οι τιμές της αγωγιμότητάς της μπορεί ακόμη και να μειωθούν με την αύξηση του μεγέθους του κρυστάλλου λόγω της κινητικότητας των ηλεκτρονίων που κατανέμονται ελεύθερα σε όλη τη δομή της - αν και η θερμοκρασία αυξάνει αυτή την κινητικότητα με την πάροδο του χρόνου. Η αλουμίνα ταξινομείται ως τύπου p λόγω αυτού του χαρακτηριστικού - δηλαδή τα ηλεκτρόνια κινούνται ελεύθερα εντός των ορίων των κόκκων που αυξάνεται με τη θερμοκρασία, ενώ η τιμή της μειώνεται καθώς μειώνεται το μέγεθος του κρυστάλλου της.

Η τροποποίηση των επιφανειακών ιδιοτήτων μπορεί επίσης να συμβάλει στην αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας της αλουμίνας. Οι επεξεργασίες επικάλυψης σε σκόνη, ανοδίωσης και πλαστικής επικάλυψης επηρεάζουν την αγωγιμότητά της με διάφορους τρόπους. οι επεξεργασίες επικάλυψης σε σκόνη, ανοδίωσης και πλαστικής επικάλυψης έχουν τη δύναμη να μεταβάλλουν την αντίσταση στη διάβρωση, καθώς και την αποτελεσματική διασπορά των ιόντων και την αντίστασή τους έναντι της ακτινοβολίας, όπως η ακτινοβολία γάμμα ή νετρονίων.

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της αλουμίνας μπορεί να μεταβληθεί από διάφορες μεταβλητές: μέγεθος και διάρκεια της εφαρμοζόμενης τάσης, υπέρταση συγκέντρωσης του διαλύματος ηλεκτρολύτη, υπέρταση αντίδρασης, πτώση τάσης μεταξύ των συστατικών της κυψέλης, γεωμετρία ηλεκτροδίων/πάχος/τύπος που χρησιμοποιείται/επιφανειακή ενέργεια των σωματιδίων που χρησιμοποιούνται στη σύνθεση κ.λπ. Για την ακριβέστερη μοντελοποίηση των αποτελεσμάτων της διηλεκτρικής απώλειας, μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει ένα μοντέλο αστοχίας του ασθενέστερου κρίκου, σύμφωνα με το οποίο η ισχύς της διάσπασης εξαρτάται από τον αριθμό των επιφανειακών οπών που δημιουργούνται κατά τη διαδικασία ιονισμού,

Ηλεκτροχημική αγωγιμότητα

Η ηλεκτρική αγωγιμότητα της αλουμίνας καθορίζεται από τις ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις και τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων της, γνωστές ως ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις. Τα μεταλλικά στοιχεία, όπως ο χαλκός (Cu), έχουν αγωγιμότητα που σχετίζεται άμεσα με το μήκος, ενώ το εμβαδόν της διατομής του παίζει αντίστροφο ρόλο- η μέτρηση αυτού του φαινομένου γίνεται σε μονάδες siemens ανά μέτρο. Όταν εφαρμόζεται σε μη μεταλλικά στοιχεία όπως η αλουμίνα (R = L/S).

Η αλουμίνα ξεχωρίζει ως εξαιρετικός θερμικός αγωγός με μέτρια θερμοχωρητικότητα και εξαιρετικές ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης, καθώς και ιδιότητες αντοχής στη διάβρωση και τη φθορά. Το πλεονέκτημα του βάρους της αλουμίνας την καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές όπου το βάρος είναι κρίσιμο, όπως οι εναέριες γραμμές μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλων αποστάσεων- ο χαλκός έχει χαμηλή αντίσταση αλλά το βάρος του απαγορεύει τη χρήση του εδώ, ενώ το προϊόν χαμηλής αντίστασης-πυκνότητας του αργύρου και η τοξική φύση του τον καθιστούν ακατάλληλο- το αλουμίνιο προσφέρει τον καλύτερο συνδυασμό αγωγιμότητας και πυκνότητας που ταιριάζει σε αυτόν τον ρόλο.

Σε αντίθεση με πολλά κεραμικά, η αλουμίνα ξεχωρίζει για τη σχεδόν καθαρή δομή της και τη σχετικά μεγάλη επιφάνειά της. Η υψηλή μηχανική αντοχή της την καθιστά ιδανική για χρήση σε συσκευές μόνωσης και στεγανοποίησης, ενώ ο χαμηλός ρυθμός θερμικής διαστολής και η καμπτική ακαμψία της βοηθούν στην κατασκευή πλακετών κυκλωμάτων λεπτών υμενίων. Η αλουμίνα διαθέτει επίσης εξαιρετικές ηλεκτρικές ιδιότητες που την καθιστούν ελκυστική εναλλακτική λύση έναντι των πιο δαπανηρών υλικών χαλκού και κασσίτερου.

Η αγωγιμότητα της αλουμίνας ποικίλλει δραματικά ανάλογα με την επεξεργασία της, τη θερμοκρασία και τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη που χρησιμοποιείται στην ανοδίωση. Οι μεταβολές μπορεί να οφείλονται σε μεταβάσεις φάσης μεταξύ του σχηματισμού άμορφου και κρυσταλλικού οξειδίου του αλουμινίου, σε αέριες εκπομπές όπως CO2 και SO2 ή σε παγίδευση αντίθετων ιόντων εντός της μήτρας ανοδίωσης. Οι διεργασίες οξείδωσης με τη βοήθεια εκφορτίσεων, όπως η ηλεκτρολυτική οξείδωση πλάσματος, παράγουν πολύ μεγαλύτερα ποσοστά σχηματισμού κρυσταλλικού οξειδίου του αλουμινίου σε σύγκριση με την τυπική ανοδίωση, η οποία παράγει κυρίως άμορφες μορφές.

Η αλουμίνα Durox μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολυάριθμες μορφές: μπορούν να κατασκευαστούν δίσκοι και πλάκες με ξηρή πρέσα, μπορούν να κατασκευαστούν συσκευασίες περιγράμματος τρανζίστορ απευθείας με τη μοναδική διαδικασία ψυχρής ισοστατικής πρέσας της Durox, μπορούν επίσης να κατασκευαστούν σωλήνες και ράβδοι απευθείας με αυτή τη μοναδική τεχνική διαμόρφωσης, μπορούν επίσης να δημιουργηθούν προσαρμοσμένα σχήματα με αυτή την πατενταρισμένη μέθοδο διαμόρφωσης, η οποία εξασφαλίζει ερμητικές σφραγίδες στα σημεία επαφής τους για να εγγυηθεί υψηλή ποιότητα και εκτεταμένη μακροζωία χρήσης.

Μηχανική αγωγιμότητα

Οι εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες της αλουμίνας - είναι σκληρότερη από το διαμάντι και έχει την υψηλότερη αναλογία αντοχής προς βάρος μεταξύ των τεχνικών κεραμικών - την καθιστούν εξαιρετική επιλογή για εφαρμογές υψηλών επιδόσεων, όπως η χημική σταθερότητα, η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, η βιοανθεκτικότητα και τα κοπτικά εργαλεία. Η αλουμίνα διαθέτει επίσης εξαιρετική αντοχή στην τριβή και τη φθορά, καθώς και τη θερμική της αγωγιμότητα που είναι συγκρίσιμη με τον γραφίτη, αλλά παρέχει καλύτερες ιδιότητες ηλεκτρικής μόνωσης.

Σημειώστε ότι η θερμική αγωγιμότητα της αλουμίνας μεταβάλλεται τόσο με τη θερμοκρασία όσο και με το επίπεδο προσμίξεων, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να καθιστούν τα φωνόνια πιο αποτελεσματικά στην αγωγή της θερμότητας μέσω των ατόμων της, ενώ τα πιο πυκνά στοιβαγμένα κατιόντα στο πλέγμα Al2O3 μειώνουν την αποδοτικότητα της μεταπήδησης ηλεκτρονίων, οδηγώντας σε χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα.

Οι στερεές διαλυτότητες των διαφόρων κραματικών στοιχείων επηρεάζουν επίσης τη θερμική αγωγιμότητα του αλουμινίου- έχει βρεθεί ότι ο Mg και ο Zn αυξάνουν την ειδική αντίσταση, ενώ το Si όχι. Επιπλέον, τα επιφανειακά φινιρίσματα, όπως η βαφή, η επικάλυψη ή η ανοδίωση, έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην αγωγιμότητα των υλικών αλουμινίου - με τη βαφή να μειώνει την αγωγιμότητα, ενώ η επικάλυψη ή η ανοδίωση την αυξάνει.

Για το λόγο αυτό, είναι ζωτικής σημασίας τα σωματίδια αλουμίνας να είναι ομοιόμορφα διασκορπισμένα σε μια μήτρα πολυουρεθάνης. Μια επιφανειοδραστική ουσία όπως το g-αμινοπροπυλοτριαιθοξυσιλάνιο (APTES) μπορεί να βοηθήσει στην επίτευξη αυτού του στόχου και να αυξήσει περαιτέρω τις μηχανικές ιδιότητες και τη θερμική αγωγιμότητα των δομών μήτρας πολυουρεθάνης.

Η παρούσα μελέτη διερεύνησε την επίδραση της επιφανειακής τροποποίησης APTES για τη βελτίωση της θερμικής και ηλεκτροχημικής αγωγιμότητας των επιφανειών αλουμίνας. Η ανάλυση XPS χρησιμοποιήθηκε για τη σύγκριση της στοιχειακής σύνθεσης μεταξύ των αρχικών και των επιφανειακά τροποποιημένων δειγμάτων- τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι επιφανειακά τροποποιημένες είχαν περισσότερες κορυφές N, O και C από τις αντίστοιχες αρχικές.

Η επιφανειακά τροποποιημένη αλουμίνα με APTES επέδειξε επίσης ανώτερη θερμική αγωγιμότητα από εκείνη της φυσικής της κατάστασης, γεγονός που υποδηλώνει ότι περισσότερη APTES αυξάνει τη θερμική της αγωγιμότητα. Επιπλέον, η προσθήκη APTES μείωσε την επιφανειακή αποδιοργάνωση, ενώ ταυτόχρονα βελτίωσε τη μικροδομή με αποτέλεσμα να βελτιωθούν οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών πολυουρεθάνης που αποτελούνται από αυτό το υλικό συνδυασμού.