مع تزايد الطلب على المواد ذات الموصلية الحرارية العالية، تُبشّر مركبات البوليمر الموصلة حراريًا والمُدعّمة بحشوات حرارية بمستقبل واعد. ويعتمد أداء هذه المركبات بشكل كبير على اختيار الحشوات الحرارية. يُعدّ أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) حشوًا خزفيًا شائعًا، وبفضل صلابته العالية وموصليته الحرارية الممتازة، يُعتبر خيارًا شائعًا لتعزيز الموصلية الحرارية للمواد. يتواجد أكسيد الألومنيوم في العديد من الأشكال البلورية، بما في ذلك α، γ، δ، η، θ، و κ، ويُعدّ α-Al₂O₃ الأكثر استقرارًا. تتكون شبكته البلورية من أيونات أكسجين مُرتبة في بنية سداسية متراصة، مع توزيع أيونات الألومنيوم بشكل متناظر في مراكز الأوجه الثمانية التي تُشكّلها أيونات الأكسجين، مما ينتج عنه طاقة شبكية عالية. تتضمن مورفولوجيا جسيمات أكسيد الألومنيوم ألفا (α-Al₂O₃) أشكالًا كروية، ورقائقية، ومتعددة الأوجه غير منتظمة، وبيضوية، وغيرها. وتؤثر البنى المجهرية المختلفة تأثيرًا كبيرًا على أداء المواد الموصلة للحرارة. حاليًا، يُعد أكسيد الألومنيوم الكروي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. حشو موصل حرارياً في السوق.
مزايا فريدة: "الخصائص المتأصلة" التي يمنحها الهيكل الكروي
موصلية حرارية استثنائية
الألومينا مادة غير عضوية غير معدنية تتميز بموصلية حرارية ممتازة. ويُسهم شكلها الكروي في تحسين مسارات التوصيل الحراري. في المواد المركبة، تُشكل الجسيمات الكروية شبكة توصيل حراري أكثر ترابطًا وسلاسة، مما يُقلل المقاومة الحرارية. عند انتقال الحرارة داخل المادة، تكون مساحة التلامس بين الجسيمات الكروية كبيرة نسبيًا وموزعة بشكل أكثر تجانسًا، مما يمنع انقطاع انتقال الحرارة الناتج عن الأشكال غير المنتظمة أو الحواف العريضة أو فجوات التراص. وهذا يُعزز بشكل كبير الموصلية الحرارية الإجمالية للمادة المركبة.
قابلية تشتت متميزة
تُضفي البنية الكروية على مسحوق أكسيد الألومنيوم انسيابيةً وتشتتًا ممتازين. فمقارنةً بمساحيق أكسيد الألومنيوم غير منتظمة الشكل، كالمساحيق الرقائقية والإبرية والكتلية، تُظهر الجسيمات الكروية احتكاكًا أقل فيما بينها، وتتوزع بسهولة أكبر وبشكل متجانس داخل المادة الأساسية، مما يقلل من حدوث التكتل. ويضمن هذا التوزيع المتجانس استمرارية وتناسق شبكة التوصيل الحراري داخل المادة المركبة، وبالتالي تجنب التقلبات في التوصيل الحراري الناتجة عن تكتل الجسيمات الموضعي.
استقرار كيميائي ممتاز ومقاومة عالية للحرارة
تتميز حشوة الألومينا الكروية بثبات كيميائي استثنائي، كما أنها مقاومة للتفاعلات الكيميائية مع البيئة المحيطة. وتبقى خصائصها الفيزيائية والكيميائية ثابتة في البيئات الحمضية أو القلوية، وفي الظروف الرطبة، أو أثناء الاستخدام طويل الأمد. ولا تتدهور بفعل التآكل أو الأكسدة أو غيرها من العوامل، مما يضمن موثوقية المادة الموصلة للحرارة على المدى الطويل. وفي الوقت نفسه، تتمتع بمقاومة فائقة لدرجات الحرارة العالية، محافظةً على سلامتها الهيكلية وتوصيلها الحراري حتى في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة.
عملية التحضير: تشكيل دقيق من "مسحوق" إلى "كروي"“
تستمدّ خصائص الألومينا الكروية المميزة من بنيتها الكروية الدقيقة وتوزيع حجم جسيماتها القابل للتحكم، وهو ما يتحقق بفضل عملية تحضير راسخة. تشمل الطرق الرئيسية الحالية لتحضير مسحوق الألومينا الكروي ما يلي: الصهر باللهب، وطرق النفث، وطرق القوالب، والتحلل الهوائي، وطريقة سول-جل، والمعالجة الحرارية المائية، والغزل القطري، والطحن الكروي.
طريقة الرش
تعتمد طريقة الرش لتحضير الألومينا الكروية على معالجة المادة الأولية حراريًا باستخدام مصدر حرارة عالي الحرارة. ثم يتم تحويل المنتج إلى شكل كروي بالاستفادة من التوتر السطحي. وتنقسم طريقة الرش إلى ثلاث طرق رئيسية: التحلل الحراري بالرش، والتجفيف بالرش، والصهر بالرش. من بين هذه الطرق، تستخدم طريقة الصهر بالرش بلازما الحث بترددات الراديو لصهر الألومينا الصلبة، والتي يتم تبريدها بسرعة بواسطة تيار نفاث لإنتاج الألومينا الكروية. تُستخدم هذه الطريقة بشكل أساسي لتحويل جزيئات الألومينا غير المنتظمة الشكل إلى شكل كروي. تتميز الألومينا الناتجة بدرجة عالية من الكروية، ولكن يصعب التحكم في حجم الجسيمات، حيث يتراوح حجمها من النانومتر إلى الميكرومتر.
طريقة الصهر باللهب
تُستخدم حاليًا طريقة الصهر باللهب على نطاق واسع في السوق لإنتاج الألومينا الكروية. وبالمقارنة مع طريقة الصهر النفاث، التي تحمل الاسم نفسه، فإن طريقة الصهر باللهب تتضمن حقن مسحوق الألومينا غير المنتظم الشكل مباشرةً في اللهب، حيث ينصهر المسحوق ليشكل كرات. هذه العملية بسيطة وتوفر مزايا في التحكم بالتكلفة مقارنةً بطريقة الصهر النفاث بالبلازما. وتتميز المنتجات الكروية الناتجة بموصلية حرارية عالية، وكروية جيدة، وحجم جسيمات قابل للتحكم.
طريقة القالب
تتطلب طريقة القالب لتحضير الألومينا الكروية أولاً قالبًا أساسيًا. تُغطى طبقة من الكريات المجهرية ذات بنية قشرية حول القالب الأساسي، ثم يُزال القالب الأساسي باستخدام طرق فيزيائية وكيميائية. والمنتج النهائي هو كريات مجهرية مجوفة. وبناءً على خصائص وقيود القوالب نفسها، تُصنف هذه الطريقة عمومًا إلى طريقتي القالب الصلب والقالب المرن.
طريقة تحلل الهباء الجوي
تعتمد طريقة تحلل الهباء الجوي لتحضير كريات الألومينا بشكل أساسي على استخدام ألكوكسيدات الألومنيوم السائلة كمواد خام. ويتم استخدام التحلل المائي عند درجة حرارة عالية لتبخير ألكوكسيدات الألومنيوم. ثم تُجرى عملية تجفيف أو معالجة حرارية عالية لاحقة لتشكيل مسحوق الألومينا الكروي في النهاية. تكون الجسيمات المنتجة بهذه الطريقة في نطاق النانو، ولا توجد حاليًا أي تطبيقات صناعية لهذه العملية.
طريقة سول-جل
تعتمد طريقة سول-جل على التحلل المائي أو البلمرة للأملاح غير العضوية لتكوين مواد أولية. بعد الغسل بالكحول، والتقادم، والمعالجة الحرارية، نحصل على مسحوق الألومينا. ولأن هذه الطريقة تستخدم مذيبات عضوية ومواد فعالة سطحية، فإن مسحوق الألومينا الناتج يتميز بكروية عالية (100%)، بأحجام جسيمات تتراوح من الميكرومتر إلى المليمتر. ومن عيوب هذه الطريقة صعوبة فصل وتجفيف مسحوق الألومينا.
طريقة المعالجة الحرارية المائية
تعتمد طريقة المعالجة الحرارية المائية لتحضير الألومينا الكروية على استخدام أملاح الألومنيوم كمواد خام. ففي ظل ظروف درجات حرارة وضغوط عالية، تذوب المادة ثم تتبلور من جديد لتشكل جزيئات كروية من الألومينا. يتميز مسحوق الألومينا المُنتج بهذه الطريقة بنقائه العالي، وشكله القابل للتحكم، وخلوه من التكتلات. إلا أن هذه الطريقة تتطلب بيئة ذات درجات حرارة وضغوط عالية، وتعتمد بشكل كبير على معدات متخصصة.
طريقة إسقاط الكرة
تتمثل الخطوة الأولى في تحضير الألومينا الكروية باستخدام طريقة التقطير في تحضير محلول غرواني من الألومينا النقية. يبدأ التحضير بمحلول غرواني حمضي من الألومينا النقية، ثم يُقطّر المحلول في طبقة من الزيت؛ ويُستخدم عامل التجلط HMTA (سداسي ميثيلين رباعي الأمين) أو خليط من اليوريا وHMTA. بعد ذلك، تُترك المادة الناتجة لتنضج، ثم تُجفف، ثم تُكلس لتشكيل جزيئات كروية.
طحن الكرات
تتضمن عملية الطحن الكروي وضع المواد الخام في مطحنة الكرات, حيث تُطحن وتُحرك بواسطة وسائط الطحن، مما يحول الجزيئات الكبيرة إلى مساحيق فائقة النعومة. ويمكن استخدام الطحن الكروي الميكانيكي لإنتاج منتجات الألومينا الكروية بأحجام جزيئات متنوعة. تتميز هذه الطريقة بمعدات بسيطة وموثوقة، وتسهل الإنتاج على دفعات، ولها إمكانات كبيرة لنمو السوق في المستقبل.
يؤدي ارتفاع نسبة انتشار السيارات الكهربائية إلى زيادة الطلب على الألومينا الكروية
في ظل التوجه العالمي نحو السيارات الكهربائية، تُكثّف شركات صناعة السيارات الرائدة محلياً وعالمياً استثماراتها الاستراتيجية في مركبات الطاقة الجديدة. وقد دخل قطاع مركبات الطاقة الجديدة مرحلة نمو سريع مدفوعاً بطلب السوق. ويستمر سوق مركبات الطاقة الجديدة في الصين بالتوسع بوتيرة متسارعة. وتُستخدم مواد التوصيل الحراري، مثل المواد والمواد اللاصقة الموصلة للحرارة، في بطاريات ووحدات التحكم الإلكترونية والمحركات الكهربائية لمركبات الطاقة الجديدة. ومن المتوقع أن يُحفّز هذا الطلب على حشوات الألومينا الكروية.
التحكم الإلكتروني (التحكم الإلكتروني):
لتقليل المقاومة الحرارية بين مصدر الحرارة ومسار التبريد، من الضروري تحسين الموصلية الحرارية للوحدة. لذلك، تُطبّق عادةً طبقة من المعجون الحراري على السطح الصلب الفاصل بين وحدة IGBT ومشتت الحرارة.
عن طريق ملء منطقة التماس بمعجون حراري أو مواد مشابهة، يتم تحقيق تلامس كامل بين مصدر الحرارة ومشتت الحرارة. هذا يقلل بشكل كبير من المقاومة الحرارية بين السطحين، ويحسن تبديد الحرارة بشكل ملحوظ، وبالتالي يقلل بشكل فعال من الفاقد الكهربائي.
محركات الدفع:
في محركات الدفع، يُستخدم الجزء الثابت لتوليد مجال مغناطيسي دوار، ويُغطى عادةً بالكامل بمادة لاصقة ذات موصلية حرارية عالية. يُقلل هذا من المقاومة الحرارية بين الملفات وقلب الجزء الثابت، ويُحسّن الموصلية الحرارية لنظام العزل. يمكن خفض ارتفاع درجة حرارة المحرك بمقدار 10-18 درجة مئوية تقريبًا، مما يُعزز موثوقية التشغيل الآمن للمحرك.
قطاع بطاريات الطاقة:
تُعدّ بطاريات الطاقة بمثابة "قلب" مركبات الطاقة الجديدة. ويؤثر رصدها الحراري وإدارتها بشكل مباشر على الأداء العام للمركبة وسلامتها. حاليًا، يمكن لمواد مالئة مثل هيدروكسيد الألومنيوم، والألومينا الزاوية، والألومينا الكروية أن تلبي جميع متطلبات التوصيل الحراري. مع ذلك، يفرض مصنّعو بطاريات الطاقة ضوابط سلامة صارمة للغاية، وتختلف هياكل وحدات البطاريات وطرق تبديد الحرارة اختلافًا كبيرًا. بعد تقييم شامل، برزت الألومينا الكروية كخيار رائد، إذ أصبحت المادة المالئة الرئيسية الموصلة للحرارة، فهي تُحقق توازنًا مثاليًا بين متطلبات التوصيل الحراري العالي ومقاومة اللهب القوية.
خاتمة
باعتبارها مادة أساسية في مجال الحشوات الموصلة للحرارة، تتميز الألومينا الكروية بمزاياها الهيكلية الفريدة، وأدائها المتميز، وتطبيقاتها المتعددة. وتلعب دورًا لا غنى عنه في تطوير الصناعات المتقدمة. ومع التحسين المستمر لعمليات التصنيع والتقدم المتواصل في تقنيات التوظيف الوظيفي، تستعد الألومينا الكروية لإثبات قيمتها في نطاق أوسع من المجالات. كما ستوفر أساسًا متينًا لتطوير تقنيات إدارة الحرارة.
“شكراً لقراءتكم. أتمنى أن يكون مقالي مفيداً. يُرجى ترك تعليق أدناه. كما يمكنكم التواصل مع ممثل خدمة عملاء زيلدا عبر الإنترنت لأي استفسارات أخرى.
— نشر بواسطة إميلي تشين
“"“
