Alumiinioksidin lämpökapasiteetti

Lämpökapasiteetti tarkoittaa energiaa, joka tarvitaan aineen lämpötilan nostamiseen yhdellä celsiusasteella, ja se mitataan jouleina materiaalikiloa kohti.

CoorsTek tarjoaa lukuisia alumiinioksidituotteita, joilla on poikkeuksellinen lämpöshokkien kestävyys. Macor on edistyksellinen materiaali, joka tarjoaa erinomaisen suorituskyvyn korkeammissa lämpötiloissa.

Lämpötila

Lämpökapasiteetti tarkoittaa energiaa, joka tarvitaan aineen lämpötilan nostamiseen yhdellä celsiusasteella, ja se voidaan ilmaista myös aineen ominaislämpökapasiteettina eli energiana aineen massayksikköä kohti. Metallien ominaislämpökapasiteetti on tyypillisesti suurempi kuin polymeerien tai keraamisten aineiden, ja niillä on yleensä suuret sulamispisteet ja minimaalinen lämpölaajeneminen - ominaisuudet, joiden ansiosta ne soveltuvat moniin teollisiin käyttötarkoituksiin.

Alumiinioksidin ominaislämpö on noin 900 J/kg C, mikä on korkeampi kuin monien metallien, kuten kuparin ja hopean, ominaislämpö, koska niiden atomit ovat tiiviisti pakkautuneita ja johtavat helposti. Toisaalta sen ominaislämpö on alhaisempi kuin monien mineraalien, kuten hiekan tai kalkkikiven, ominaislämpö, koska niiden vähemmän tiiviit atomit vaikeuttavat lämmönsiirtoa.

Alumiinioksidi on eriste, joka voi auttaa alentamaan lämpötilaa missä tahansa työalueella, mutta sen turvallinen käyttö edellyttää, että sitä käsitellään huolellisesti ja että käytössä on asianmukaiset varusteet ja turvatoimet. Kun se sijoitetaan kuumien pintojen läheisyyteen, se on pidettävä kaukana niistä käyttäjien suojelemiseksi, eikä lämmityselementtiin saa koskaan koskea, kun se on kytketty päälle; jos iholle tulee palovammoja, se on huuhdeltava välittömästi käyttämällä kylmää vettä, joka auttaa rauhoittamaan vahingoittuneita alueita.

Alumiinioksidin ominaislämpöön vaikuttavat monet tekijät, kuten g-faasin osuus ja huokoisuus. Lämpötilan noustessa sen ominaislämpö pienenee, mikä johtaa lämmönjohtavuuden ja diffuusiokyvyn pienenemiseen a- ja g-faasien välisen faasimuutoksen seurauksena.

Koska alumiinioksidin ominaislämpö riippuu sen kalsinointilämpötilasta, useat tutkimusryhmät ovat tehneet tutkimuksia, joissa näytteitä on kalsinoitu eri lämpötiloissa, ja tutkineet, miten lämpötila vaikuttaa alumiinioksidin lämpöominaisuuksiin ja lopulta alumiinioksidin ominaislämpöön ja muihin termodynaamisiin parametreihin. Tämän seurauksena useat tutkimusryhmät ovat tehneet laajoja tutkimuksia eri lämpötiloissa kalsinoiduista näytteistä ymmärtääkseen paremmin sen vaikutusta lämpöominaisuuksiin ja ominaislämpöön. Tämän tuloksena on saatu parempi käsitys lämpötilan vaikutuksesta ominaislämpöön ja muihin termodynaamisiin parametreihin, ominaislämpöön ja muihin termodynaamisiin parametreihin yleensä.

Paine

Alumiinioksidi (Al2O3) on tekninen keraaminen materiaali, jota käytetään laajalti sen erinomaisen suorituskyvyn ja edullisen hinnan vuoksi. Alumiinioksidilla on erinomainen mekaaninen lujuus, puristuslujuus, kovuus, korroosion- ja kulutuskestävyys sekä alhainen lämpölaajeneminen; lisäksi se on kemiallisesti inertti ja bioyhteensopiva ja sillä on myös alhainen lämpölaajeneminen. Alumiinioksidin ominaislämpökapasiteetti tarkoittaa, että se absorboi suuria määriä energiaa missä tahansa lämpötilassa; lisäksi sillä on suhteellisen korkea lämmönjohtavuus 30-35 W/mK, mikä tekee siitä sopivan moniin käyttötarkoituksiin teollisuudessa.

Alumiinin ominaislämpökapasiteetti riippuu lämpötilasta, paineesta ja atomien lukumäärästä tilavuusyksikköä kohti. Alumiinin ominaislämpökapasiteetin kaava voidaan ilmaista seuraavasti: Cp = H/N, jossa H on latentti höyrystymislämpö, N on atomien lukumäärä näytteessä ja T on lämpötila; tätä lähestymistapaa käyttäen Debyen mallissa arvioidaan alumiinioksidin ominaislämpö vakiotilavuudessa ja -lämpötilassa.

Alumiinioksidin kyky imeä vettä korkeammissa lämpötiloissa on pienempi kuin kuusikulmaisen jään, koska sen ionien pinta on karkeampi ja niiden välitilat ovat suuremmat kuin kuusikulmaisen jään, ja niiden diffuusio sen sisältä sen pinnalle ja takaisin ulos kestää kauemmin. Alumiinijään hajoamislämpötilaa alhaisemmissa lämpötiloissa vesi voi kuitenkin imeytyä nopeasti sen huokosiin.

Alumiinioksidin ominaislämpökapasiteetin määrittämiseen soveltuu parhaiten sähköinen upotuslämmitin. Tätä varten aseta lämpömittari lohkon keskireikään, liitä ampeeri- ja volttimittariin, käynnistä lämmitin, anna sen lämmittää lohkoa 10 minuuttia, mittaa sen lämpötila ja kirjaa tulokset ylös; käytä Cp = H/N-yhtälöä laskeaksesi materiaalin ominaislämpökapasiteetin.

Nanohiukkasten lisääminen voi lisätä nesteiden lämmönjohtavuutta, mutta sen vaikutuksesta niiden ominaislämpökapasiteettiin ei ole päästy yksimielisyyteen. Tämän vuoksi insinöörien olisi tutkittava, miten alumiinioksidin ominaislämpökapasiteetti muuttuu lämpötilan mukaan, jotta voidaan suunnitella järjestelmiä, jotka toimivat tehokkaasti erilaisissa olosuhteissa ja vähentävät lämpötilagradientin riskiä jäähdytys-/lämmityssovelluksissa.

Huokoisuus

Alumiinioksidi on keraaminen materiaali, jolla on suuri ominaislämpökapasiteetti. Sen kemiallinen ja terminen stabiilisuus tekevät siitä suosiossa käytetyn eri teollisuudenaloilla, ja sen kestävyys monia kemikaaleja ja reagensseja vastaan tekee siitä kestävän. Alumiinioksidilla on myös erinomainen lämmönjohtavuus, mikä tekee siitä sopivan eristyssovelluksiin; sen johtavuus riippuu mikrorakenteesta ja huokoisuustekijöistä, koska suurella osalla g-faasista, jolla on pienempi huokoisuus, on suurempi ominaislämpökapasiteetti kuin muilla; näin ollen on tärkeää määrittää sen sintrauslämpötila ennen käyttöä missä tahansa sovelluksessa tai projektissa.

Ilmaplasmaruiskutetut (APS) alumiinioksidipinnoitteet ovat laajalti tunnettuja niiden kestävyydestä matalissa lämpötiloissa tapahtuvaa lämpösykliä vastaan, mutta ne ovat kuitenkin alttiita delaminaatiolle ja halkeamien leviämiselle niiden monimutkaisten rakenteiden ja rajapinnan karheuden vuoksi. Näitä näkökohtia on tutkittu monissa tutkimuksissa, mutta useimmissa tutkimuksissa on kuitenkin keskitytty litteisiin näytteisiin tai matemaattisesti mallinnettuihin karheuksiin eikä todellisiin pinnoitusmorfologioihin.

Tässä tutkimuksessa tutkitaan eri sintrauslämpötilojen vaikutusta kahden kaupallisen, irtotiheydeltään vaihtelevan alumiinioksidilaadun ominaislämpökapasiteettiin ja lämmönjohtavuuteen käyttäen tapaustutkimuksena kahta kaupallista laatua. Ominaisuustulokset osoittavat, että energiavarastointikapasiteetin ja g-faasipitoisuuden osuuden välillä on huokoisuuden lisäksi vahva yhteys energiavarastointikapasiteetin ja alumiinioksidin mekaanisten ominaisuuksien lisäämiseksi.

Alumiinioksidinäytteitä, joissa oli eri osuudet ja tiheydet g-faaseja ja huokoisuuksia, testattiin 900 asteen lämpötilassa niiden suorituskyvyn arvioimiseksi. Näytteissä, joissa g-faasien osuus oli suurempi ja huokoisuudet pienempiä, oli alhaisemmat massaperusteiset ominaislämpökapasiteetit ja lämmönjohtavuudet kuin näytteissä, joissa g-faasien osuus oli pienempi ja huokoisuudet suurempia.

Tässä tutkimuksessa pyrittiin luomaan korkeahuokoista alumiinioksidia lietteen geelöintimenetelmällä (GS). Tulokset osoittivat, että tuotettujen alumiinioksidivaahtojen keskimääräinen huokoskoko oli 1,2 mm huolimatta siitä, että ne olivat suljettuja soluja; kuvassa 4 on esitetty valokuva solurakenteesta eri irtotiheyksillä. Tämän keskimääräisen huokoskoon määrittämiseksi tehtiin seinämän paksuuden ja halkaisijan mittauksia osana niiden määrittämistä.

Reaktiivisuus

Alumiinioksidi (kutsutaan myös nimellä alumiinioksidi) on oksidikeramiikka, jolla on erinomaiset sähköeristys- ja mekaaniset ominaisuudet, kuten kovuus ja kulutuskestävyys, sekä suhteellisen korkea lämmönjohtavuus tekniseksi keramiikaksi. Alumiinista on saatavana erilaisia partikkelikokoja ja -muotoja, minkä ansiosta siitä voidaan valmistaa valukiviä, tulenkestäviä materiaaleja ja suulakepuristettuja tuotteita. Alumiinioksidilla on myös vahvat korroosionkestävyysominaisuudet, ja se on erittäin kova, minkä vuoksi sitä käytetään suosiolla alumiinimetallin valmistuksessa tai hioma-aineena sen lisäksi, että sitä hyödynnetään alumiinimetallin valmistuksessa tai keraamisissa sovelluksissa, kuten alumiinimetallin valmistuksessa tai valmistussovelluksissa, kuten muualla keraamisissa sovelluksissa, kuten alumiinin valmistuksessa.

Lämpökapasiteetin alumiinioksidin reaktiivisuus määräytyy sen pintakemian ja vikojen tai dislokaatioiden, kuten dislokaatioiden, esiintymisen perusteella. Reaktiivisuus voidaan määritellä sen kyvyksi vapauttaa ioneja tai elektroneja hapetusreaktioiden kautta; alumiinioksidi on erittäin reaktiivinen, mutta reaktiivisuutta rajoittaa sitä ympäröivä suojaava passivoitu oksidikerros, joka estää suoran reaktion ympäristön hapen kanssa; tämän ansiosta lämpökapasiteetin alumiinioksidi voidaan muuntaa alumiinimetalliksi Hall-Heroult-prosessin avulla.

Koska alumiinioksidi vapauttaa voimakkaasti energiaa hapettumisreaktioissa, se voi toimia erinomaisena energiamateriaalina kiinteissä polttoaineissa ja ajoaineissa. Reaktiivisuuden lisäämiseksi entisestään alumiini on ensin esiaktivoitava orgaanisilla tai epäorgaanisilla yhdisteillä, jotta materiaali toimisi optimaalisesti. Reaktiivisuutta voidaan lisätä myös käsittelemällä alumiinioksidia happamilla tai emäksisillä liuoksilla; happamat liuokset tekevät yleensä reaktiivisemmista materiaaleista reaktiivisempia, kun taas emäksiset käsittelyt tekevät alumiinioksidista vakaampaa ja vähemmän reaktiivista.

Typen lisääminen voi lisätä alumiinioksidin reaktiivisuutta entisestään, mikä lisää sen oksidien stabiilisuutta ja vähentää ionien vapautumisnopeutta siitä. Nämä ominaisuudet ovat erityisen arvokkaita, kun niitä käytetään integroitujen piirien ja suprajohtavien laitteiden, kuten yksielektronitransistorien ja kvanttiinterferenssilaitteiden, alustana. Vaihtoehtoisesti sen reaktiivisuutta voidaan myös parantaa muodostamalla alumiinioksidi-kromi-komposiittikermetti, jota käytetään CSP-laitosten seinävuorausmateriaalina sekä virumiskestävyys- ja sitkeysominaisuuksien että molempien alkuaineiden korkean reaktiivisuuden ansiosta.