Alumiinioksidi Johtavuus

Alumiinioksidi (Al2O3) on kehittynyt tekninen keramiikka, jolla on monia houkuttelevia fysikaalisia ominaisuuksia, kuten erinomainen lämmönjohtavuus, lujuus ja kemiallinen stabiilisuus korkeissa lämpötiloissa.

Alumiinioksidi kestää hyvin korroosiota, kun se altistuu ankarille kemikaaleille, joten se soveltuu käytettäväksi eri teollisuudenaloilla.

Lämmönjohtavuus

Alumiinikeraamien erinomainen lämmönjohtavuus on yksi syy siihen, että niitä käytetään laajalti, mikä tekee niistä suosittuja valintoja eri sovelluksissa. Ioniset ja kovalenttiset sidokset alumiini- (Al3+) ja happi-ionien välillä mahdollistavat nopean lämmönsiirron. Valitettavasti lämpötila ja epäpuhtaustasot voivat muuttaa lämmönjohtavuuden tasoja, joten lämmönjohtavuuden tarkan määrittämisen kannalta on tärkeää, että valmistajien toimittamia teknisiä tietoja tai erityisiä testejä käytetään alumiinioksidikeramiikan lämmönjohtavuuden tarkan arvioinnin mahdollistamiseksi.

Alumiinimatriisissa olevat seosaineet auttavat alentamaan sen lämmönjohtavuutta. Niiden vaikutus riippuu niiden lajista, olemassa olevasta tilasta ja vuorovaikutuksesta alumiiniristikon kanssa; kiinteän liuoksen kautta lisätyillä seosaineilla on välitön negatiivinen vaikutus, kun taas saostetuilla lisäaineilla on vain vähäisiä vaikutuksia [23].

Kuparilla on yleensä kielteinen vaikutus alumiinioksidin lämmönjohtavuuteen; sen esiintyminen Al2Cu:na, jonka lämmönjohtavuus on 126 Wm-1K-1 huoneenlämmössä, vaikuttaa haitallisesti. Sitä vastoin nikkelin alhainen sulamispiste ja korkeampi ominaislämpö vaikuttavat myönteisesti.

Alumiinivaluprosessin osana jäähdytysnopeuksilla voi olla huomattava vaikutus alumiinin mikrorakenteeseen ja lämmönjohtavuuteen. Hitaammat jäähdytysnopeudet tuottavat usein tasaisemman eutektisen Si:n ja alhaisemmat lämmönjohtavuudet kuin nopeammin jäähdyttävät valuprosessit.

Alumiinioksidin lämmönjohtavuuteen vaikuttavat sen huokoisuus ja g-faasifraktio; tyypillisesti näytteet, joiden g-faasifraktio on suurempi ja huokoisuus pienempi, ovat lämmönjohtavuudeltaan parempia.

Huomionarvoista on myös se, että alumiinioksidin lämmönjohtavuus kasvaa sen vanhenemislämpötilan myötä, mikä johtuu kemiallisesta muuntumisesta g:stä a:ksi sen vanhenemisen aikana.

ZIRCAR Ceramicsin alumiinioksidituotteella tyyppi AL-30 on optimaalinen irtotiheys ja avoin huokoisuus säilyttäen samalla hyvän kuumalujuuden jopa 1600 celsiusasteen lämpötilaan asti, mikä tekee siitä erinomaisen valinnan korkean lämpötilan sovelluksiin, joissa vaaditaan sekä lämmönjohtavuutta että työstettävyyttä.

Sähkönjohtavuus

Alumiinioksidi (Al2O3) on erittäin kova ja tiivis keraaminen materiaali. Korotetuissa lämpötiloissa se toimii elektronisena johtimena, koska sen sisältämien atomien välillä on vahvat ionisidokset, mikä tekee siitä myös hyvän elektronisen johtimen. Alumiinioksidia esiintyy luonnostaan maankuoressa erilaisina metastabiileina faaseina, jotka lopulta muuttuvat alfa-alumiinaksi (-Al2O3) kuumentamalla. Alfa-alumiinalla on ainutlaatuinen kemiallinen stabiilisuus ja kovuusominaisuudet, jotka tekevät siitä houkuttelevan materiaalin esimerkiksi hammaskruunuihin, kirurgisiin instrumentteihin ja ballistisiin panssareihin.

Alumiinioksidin sähköisiä ominaisuuksia voidaan parantaa seostamalla sitä Ca-, Fe-, Na- ja K-ioneilla; nämä seostusaineet lisäävät massanjohtavuutta täyttämällä kiderakenteen tyhjiä ristikkopaikkoja ja lisäämällä massanjohtavuutta. Doping voidaan saada aikaan lämpökäsittelyillä, kuten anodisoinnilla ja lämpöshokilla, tai lisäämällä sen kiderakenteeseen zirkoniaa tai hiilinanoputkia.

Alumiinioksidin sähkönjohtavuus riippuu sen puhtaudesta, kiteiden suuntautumisesta ja kiderakenteesta. Moniarvoiset epäpuhtaudet, kuten kromi, voivat haitata irtotavaran johtavuusarvoja, ja sen johtavuusarvot voivat jopa pienentyä kiteen koon kasvaessa, koska elektronien liikkuvuus jakautuu vapaasti koko rakenteeseen - vaikkakin lämpötila lisää tätä liikkuvuutta ajan myötä. Alumiinioksidi luokitellaan p-tyyppiseksi tämän ominaisuuden vuoksi - mikä tarkoittaa, että elektronit liikkuvat vapaasti raerajojen sisällä, mikä lisääntyy lämpötilan kasvaessa, kun taas sen arvo pienenee kiteen koon kasvaessa.

Pintaominaisuuksien muokkaaminen voi myös auttaa lisäämään alumiinioksidin sähkönjohtavuutta. Jauhemaalaus-, anodisointi- ja muovipinnoituskäsittelyt vaikuttavat kaikki sen johtavuuteen eri tavoin; jauhemaalaus-, anodisointi- ja muovipinnoituskäsittelyillä voidaan muuttaa korroosionkestävyyttä sekä hajauttaa ionit tehokkaasti ja parantaa niiden kestävyyttä säteilyä, kuten gamma- tai neutronisäteilyä, vastaan.

Alumiinioksidin sähkönjohtavuutta voidaan muuttaa useilla muuttujilla: sovelletun jännitteen suuruus ja kesto, elektrolyyttiliuoksen konsentraatioylijännite, reaktion ylijännite, kennon osien välinen jännitehäviö, elektrodin geometria/paksuus/tyyppi/koostumuksessa käytettyjen hiukkasten pintaenergia jne. Dielektrisen häviön vaikutusten tarkempi mallintaminen edellyttää heikoimman lenkin vikamallia, jossa läpilyöntivoima riippuu ionisaatioprosessin aikana syntyneiden pintakuoppien määrästä;

Sähkökemiallinen johtavuus

Alumiinioksidin sähkönjohtavuus määräytyy sen sähköstaattisten vuorovaikutusten ja sen hiukkasten välisten vuorovaikutusten perusteella, joita kutsutaan sähköstaattisiksi vuorovaikutuksiksi. Metallisten elementtien, kuten kuparin (Cu), johtavuus on suoraan verrannollinen pituuteen, kun taas poikkipinta-ala on käänteinen; tämä ilmiö mitataan siemens/metri-yksiköissä. Kun sitä sovelletaan ei-metallisiin alkuaineisiin, kuten alumiinioksidiin (R = L/S).

Alumiinioksidi on poikkeuksellinen lämmönjohdin, jolla on kohtalainen lämpökapasiteetti ja erinomaiset sähköeristysominaisuudet sekä korroosion- ja kulutuksenkestävyysominaisuudet. Alumiinioksidin painoetu tekee siitä erityisen sopivan sovelluksiin, joissa painonäkökohdat ovat kriittisiä, kuten pitkän matkan ilmajohdoissa; kuparin resistiivisyys on alhainen, mutta sen paino estää sen käytön tässä tarkoituksessa, kun taas hopean alhainen resistenssi- ja tiheystuote ja myrkyllisyys tekevät siitä sopimattoman; alumiini tarjoaa parhaan johtavuuden ja tiheyden yhdistelmän, joka soveltuu parhaiten tähän tehtävään.

Monista keraameista alumiinioksidi erottuu lähes puhtaalla rakenteellaan ja suhteellisen suurella pinta-alallaan. Suuren mekaanisen lujuutensa ansiosta se soveltuu erinomaisesti eristys- ja tiivistyslaitteisiin, kun taas sen alhainen lämpölaajenemisnopeus ja taivutusjäykkyys auttavat ohutkalvopiirilevyjen valmistuksessa. Alumiinioksidilla on myös erinomaiset sähköiset ominaisuudet, jotka tekevät siitä houkuttelevan vaihtoehdon kalliimmille kupari- ja tinamateriaaleille.

Alumiinioksidin johtavuus vaihtelee huomattavasti sen käsittelyn, lämpötilan ja anodisoinnissa käytettävän elektrolyytin koostumuksen mukaan. Vaihtelut voivat johtua amorfisen ja kiteisen alumiinioksidin muodostumisen välisistä faasimuutoksista, kaasumaisista päästöistä, kuten CO2:sta ja SO2:sta, tai anodisointimatriisin sisällä tapahtuvasta vastaionien vangitsemisesta. Purkausavusteiset hapetusprosessit, kuten plasmaelektrolyyttinen hapetus, tuottavat paljon enemmän kiteistä alumiinioksidia kuin tavallinen anodisointi, joka tuottaa enimmäkseen amorfisia muotoja.

Durox-alumiinia voidaan käyttää monissa eri muodoissa: voidaan valmistaa kuivapuristettuja levyjä ja levyjä, transistorin ääriviivapaketteja voidaan valmistaa suoraan käyttämällä Duroxin ainutlaatuista kylmää isostaattista puristusmenetelmää; putkia ja tankoja voidaan myös valmistaa suoraan käyttämällä tätä ainutlaatuista muotoilumenetelmää; mukautettuja muotoja voidaan myös valmistaa käyttämällä tätä patentoitua muotoilumenetelmää, joka takaa hermeettiset tiivisteet kosketuskohdissa, mikä takaa korkeatasoisen laadun ja pitkäaikaisen käyttöiän.

Mekaaninen johtavuus

Alumiinioksidin poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet - se on timanttia kovempaa ja sillä on teknisten keramiikoiden korkein lujuus-painosuhde - tekevät siitä erinomaisen valinnan korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten kemialliseen stabiilisuuteen, korkeiden lämpötilojen kestävyyteen, biosuojakestävyyteen ja leikkaustyökaluihin. Alumiinioksidilla on myös erinomainen kulutuksen ja kulumisen kestävyys, ja sen lämmönjohtavuus on verrattavissa grafiittiin, mutta sillä on paremmat sähköeristysominaisuudet.

Huomaa, että alumiinioksidin lämmönjohtavuus vaihtelee sekä lämpötilan että epäpuhtaustasojen mukaan, sillä korkeammat lämpötilat tekevät fononeista tehokkaampia johtamaan lämpöä sen atomien läpi, kun taas tiiviimmin pakatut kationit Al2O3:n hilassa vähentävät elektronihyppelyn tehokkuutta, mikä johtaa alhaisempaan lämmönjohtavuuteen.

Eri seosaineiden kiinteät liukoisuudet vaikuttavat myös alumiinin lämmönjohtavuuteen; Mg:n ja Zn:n on havaittu lisäävän vastusta, kun taas Si ei. Lisäksi pintakäsittelyt, kuten maalaus, pinnoitus tai anodisointi, vaikuttavat merkittävästi alumiinioksidimateriaalien johtavuuteen - maalaus vähentää johtavuutta, kun taas pinnoitus tai anodisointi lisää sitä.

Tästä syystä on erittäin tärkeää, että alumiinioksidihiukkaset ovat tasaisesti jakautuneet polyuretaanimatriisiin. Pinta-aktiivinen aine, kuten g-aminopropyylitrietoksisilaani (APTES), voi auttaa tässä tavoitteessa ja parantaa edelleen polyuretaanimatriisirakenteiden mekaanisia ominaisuuksia ja lämmönjohtavuutta.

Tässä tutkimuksessa tutkittiin APTES-pintamodifioinnin vaikutusta alumiinioksidin pintojen lämpö- ja sähkökemiallisen johtavuuden parantamiseen. XPS-analyysia käytettiin alkuaineiden koostumuksen vertailemiseksi alkuperäisten ja pintamodifioitujen näytteiden välillä; tulokset osoittivat, että pintamodifioiduissa näytteissä oli enemmän N-, O- ja C-piikkejä kuin alkuperäisissä näytteissä.

APTES:llä pintamodifioitu alumiinioksidi osoitti myös parempaa lämmönjohtavuutta kuin sen luonnollinen olomuoto, mikä viittaa siihen, että APTES:n lisääminen lisää sen lämmönjohtavuutta. Lisäksi APTES:n lisääminen vähensi pinnan epäjärjestystä ja paransi samalla mikrorakennetta, mikä johti parempiin mekaanisiin ominaisuuksiin tästä yhdistelmämateriaalista koostuvissa polyuretaanikomposiiteissa.