Con la creciente demanda de materiales con alta conductividad térmica, los compuestos poliméricos conductores térmicos rellenos son muy prometedores para futuras aplicaciones. El rendimiento de los compuestos conductores térmicos depende en gran medida de la elección de los rellenos térmicos. El óxido de aluminio (Al₂O₃) es un relleno cerámico común. Con su alta dureza y excelente conductividad térmica, es una opción popular para mejorar la conductividad térmica de los materiales. El Al₂O₃ existe en muchas formas cristalinas, incluidas α, γ, δ, η, θ y κ, entre las cuales α-Al₂O₃ es la más estable. Su red cristalina consiste en iones de oxígeno dispuestos en una estructura hexagonal compacta, con iones de aluminio distribuidos simétricamente en los centros de los octaedros formados por los iones de oxígeno, lo que resulta en una alta energía reticular. La morfología de las partículas de α-Al₂O₃ incluye formas esféricas, laminares, poliédricas irregulares y elipsoidales, entre otras. Las diferentes microestructuras tienen un impacto significativo en el rendimiento de los materiales conductores térmicos. Actualmente, la alúmina esférica es la más utilizada. relleno conductor térmico en el mercado.
Ventajas únicas: Las “propiedades inherentes” que le confiere la estructura esférica.
Conductividad térmica excepcional
La alúmina es un material inorgánico no metálico con una excelente conductividad térmica. Su estructura esférica optimiza aún más las vías de conducción térmica. En los materiales compuestos, las partículas esféricas pueden formar una red de conducción de calor más continua y uniforme, reduciendo así la resistencia térmica. Cuando el calor se transfiere dentro del material, el área de contacto entre las partículas esféricas es relativamente grande y se distribuye de manera más homogénea, evitando interrupciones en la transferencia de calor causadas por formas irregulares, bordes grandes o espacios entre las partículas. Esto mejora significativamente la conductividad térmica general del material compuesto.
Dispersión excepcional
La estructura esférica confiere al polvo de óxido de aluminio una excelente fluidez y dispersibilidad. En comparación con los polvos de óxido de aluminio de forma irregular —como las escamas, las agujas y los grumos—, las partículas esféricas presentan menor fricción entre sí y se distribuyen con mayor facilidad de manera uniforme dentro de la matriz. Esto reduce la aglomeración. Esta distribución uniforme garantiza la continuidad y consistencia de la red de conductividad térmica dentro del material compuesto. En consecuencia, se evitan las fluctuaciones en la conductividad térmica causadas por la aglomeración localizada de partículas.
Excelente estabilidad química y resistencia a altas temperaturas.
El relleno de alúmina esférica presenta una estabilidad química excepcional. Además, es resistente a las reacciones químicas con el medio circundante. Sus propiedades físicas y químicas se mantienen estables en ambientes ácidos o alcalinos, en condiciones de humedad o durante un uso prolongado. No se degrada por corrosión, oxidación u otros factores, lo que garantiza la fiabilidad a largo plazo del material conductor térmico. Asimismo, posee una excelente resistencia a altas temperaturas, manteniendo la integridad estructural y la conductividad térmica incluso en entornos de alta temperatura.
Proceso de preparación: Moldeado preciso de “polvo” a “esférico”.”
Las propiedades superiores de la alúmina esférica se deben a su precisa estructura esférica y a la distribución controlable del tamaño de partícula. Esto es posible gracias a un proceso de preparación bien establecido. Actualmente, los principales métodos para preparar polvo de alúmina esférica incluyen: fusión por llama, métodos de chorro, métodos de plantilla, descomposición por aerosol, sol-gel, hidrotermal, hilatura de gotas y molienda de bolas.
Método de pulverización
El método de pulverización para la preparación de alúmina esférica implica el tratamiento térmico del precursor mediante una fuente de calor de alta temperatura. El producto se esferoniza aprovechando la tensión superficial. Este método se divide en pirólisis por pulverización, secado por pulverización y fusión por pulverización. La fusión por pulverización utiliza plasma de inducción por radiofrecuencia para fundir la alúmina sólida, que luego se enfría rápidamente mediante un chorro para producir alúmina esférica. Este método se emplea principalmente para esferoidizar partículas de alúmina de forma irregular. La alúmina resultante presenta una alta esfericidad, pero el tamaño de partícula es difícil de controlar, abarcando desde la escala nanométrica hasta la micrométrica.
Método de fusión por llama
Actualmente, el método de fusión por llama es el más utilizado en el mercado para producir alúmina esférica. A diferencia del método de fusión por chorro, que tiene un nombre similar, el método de fusión por llama consiste en inyectar directamente polvo de alúmina de forma irregular en una llama, donde se funde para formar esferas. Este proceso es sencillo y ofrece ventajas en el control de costes respecto al método de chorro de plasma. Los productos esféricos resultantes presentan una alta conductividad térmica, buena esfericidad y un tamaño de partícula controlable.
Método de plantilla
El método de plantilla para la preparación de alúmina esférica requiere, en primer lugar, una plantilla central. Se recubre la plantilla central con una capa de microesferas con estructura de cáscara, que posteriormente se elimina mediante métodos fisicoquímicos. El producto final son microesferas huecas. Según las características y limitaciones de las plantillas, este método se clasifica generalmente en métodos de plantilla rígida y de plantilla blanda.
Método de descomposición de aerosoles
El método de descomposición por aerosol para la preparación de esferas de alúmina utiliza principalmente alcoholatos de aluminio líquidos como materia prima. Se emplea hidrólisis a alta temperatura para vaporizar los alcoholatos de aluminio. Posteriormente, se aplica un secado o un tratamiento a alta temperatura para obtener finalmente polvo de alúmina esférico. Las partículas producidas mediante este método tienen un tamaño nanométrico y, actualmente, este proceso no tiene aplicaciones industriales.
Método sol-gel
El método sol-gel implica la hidrólisis o polimerización de sales inorgánicas para formar precursores. Tras el lavado con alcohol, el envejecimiento y el tratamiento térmico, se obtiene polvo de alúmina. Dado que este método utiliza disolventes orgánicos y tensioactivos, el polvo de alúmina resultante presenta una esfericidad cercana a 100%, con tamaños de partícula que oscilan entre la escala micrométrica y la milimétrica. Una desventaja de este método es que dificulta la separación y el secado del polvo de alúmina.
Método hidrotermal
El método hidrotermal para la preparación de alúmina esférica utiliza sales de aluminio como materia prima. Bajo condiciones de alta temperatura y alta presión, el material se disuelve y recristaliza para formar partículas esféricas de alúmina. El polvo de alúmina producido mediante este método es de alta pureza, tiene una forma controlable y no presenta aglomeración. Sin embargo, requiere un entorno de alta temperatura y alta presión, y depende en gran medida de equipos especializados.
Método de la esfera que cae
El primer paso para preparar alúmina esférica mediante el método de goteo consiste en preparar un sol de alúmina pura. Partiendo de un sol de alúmina pura ácida, este se vierte gota a gota sobre una capa de aceite; el agente gelificante es HMTA (hexametilentetramina) o una mezcla de urea y HMTA. El material resultante se deja envejecer, se seca y se calcina para formar partículas esféricas.
Molienda de bolas
El proceso de molienda de bolas implica colocar materias primas en un Molino de bolas, En este proceso, las partículas grandes se muelen y agitan mediante medios de molienda, transformándose en polvos ultrafinos. La molienda mecánica de bolas permite producir alúmina esférica con diversos tamaños de partícula. Este método se caracteriza por un equipo sencillo y fiable, facilita la producción por lotes y ofrece un gran potencial de crecimiento en el mercado.
El aumento de la penetración de los vehículos eléctricos impulsa una creciente demanda de alúmina esférica.
En medio de la tendencia global hacia la electrificación automotriz, los principales fabricantes de automóviles, tanto a nivel nacional como internacional, están incrementando sus inversiones estratégicas en vehículos de nueva energía. El sector de vehículos de nueva energía ha entrado en una fase de rápido crecimiento impulsado por la demanda del mercado. El mercado chino de vehículos de nueva energía continúa expandiéndose a un ritmo acelerado. Los materiales de interfaz térmica, como los materiales y adhesivos termoconductores, se utilizan en las baterías, las unidades de control electrónico y los motores eléctricos de estos vehículos. Se prevé que esto impulse la demanda de rellenos esféricos de alúmina.
Control electrónico (E-Control):
Para reducir la resistencia térmica entre la fuente de calor y el circuito de refrigeración, es fundamental mejorar la conductividad térmica del módulo. Por ello, se suele aplicar una capa de pasta térmica en la interfaz rígida entre el módulo IGBT y el disipador de calor.
Al rellenar la interfaz con pasta térmica o materiales similares, se logra un contacto total entre la fuente de calor y el disipador. Esto reduce significativamente la resistencia térmica interfacial, mejora notablemente la disipación de calor y, por lo tanto, reduce eficazmente las pérdidas eléctricas.
Motores de accionamiento:
En los motores de accionamiento, el estator se utiliza para generar un campo magnético giratorio y, por lo general, está completamente encapsulado con un adhesivo de alta conductividad térmica. Esto reduce la resistencia térmica entre los devanados y el núcleo del estator, y mejora la conductividad térmica del sistema de aislamiento. El aumento de temperatura del motor puede reducirse aproximadamente entre 10 y 18 °C, lo que aumenta la fiabilidad y la seguridad de su funcionamiento.
Sector de baterías de potencia:
Las baterías de potencia son el corazón de los vehículos de nueva energía. Su monitorización y gestión térmica influyen directamente en el rendimiento y la seguridad del vehículo. Actualmente, materiales de relleno como el hidróxido de aluminio, la alúmina angular y la alúmina esférica cumplen con los requisitos de conductividad térmica. Sin embargo, los fabricantes de baterías de potencia aplican controles de seguridad extremadamente estrictos, y las estructuras de los módulos de batería y los métodos de disipación de calor varían considerablemente. Tras una evaluación exhaustiva, la alúmina esférica se ha consolidado como la opción principal. Se ha convertido en el material de relleno conductor térmico por excelencia, ya que equilibra a la perfección los requisitos de alta conductividad térmica y gran resistencia a la llama.
Conclusión
Como material clave en el campo de los rellenos termoconductores, la alúmina esférica destaca por sus ventajas estructurales únicas, su rendimiento superior y su amplia gama de aplicaciones. Desempeña un papel fundamental en el desarrollo de industrias de alta tecnología. Gracias a la continua optimización de los procesos de fabricación y a los constantes avances en las tecnologías de funcionalización, la alúmina esférica está preparada para demostrar su valor en un abanico aún mayor de campos. Asimismo, proporcionará una base sólida para el desarrollo de tecnologías de gestión térmica.
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— Publicado por Emily Chen
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