Com a crescente demanda por materiais com alta condutividade térmica, os compósitos poliméricos com cargas térmicas apresentam grande potencial para aplicações futuras. O desempenho desses compósitos depende em grande parte da escolha das cargas térmicas. O óxido de alumínio (Al₂O₃) é uma carga cerâmica comum. Devido à sua alta dureza e excelente condutividade térmica, é uma escolha popular para aumentar a condutividade térmica de materiais. O Al₂O₃ existe em diversas formas cristalinas, incluindo α, γ, δ, η, θ e κ, sendo o α-Al₂O₃ o mais estável. Sua rede cristalina consiste em íons de oxigênio dispostos em uma estrutura hexagonal compacta, com íons de alumínio distribuídos simetricamente nos centros dos octaedros formados pelos íons de oxigênio, resultando em uma alta energia reticular. A morfologia das partículas de α-Al₂O₃ inclui formas esféricas, em forma de flocos, poliédricas irregulares e elipsoidais, entre outras. Diferentes microestruturas têm um impacto significativo no desempenho de materiais termicamente condutores. Atualmente, a alumina esférica é a mais utilizada. enchimento termicamente condutor no mercado.
Vantagens únicas: As “propriedades inerentes” conferidas pela estrutura esférica.
Condutividade térmica excepcional
A alumina é um material inorgânico não metálico com excelente condutividade térmica. Sua estrutura esférica otimiza ainda mais os caminhos de condução térmica. Em materiais compósitos, as partículas esféricas podem formar uma rede de condução de calor mais contínua e uniforme, reduzindo assim a resistência térmica. Quando o calor é transferido dentro do material, a área de contato entre as partículas esféricas é relativamente grande e distribuída de maneira mais homogênea, evitando interrupções na transferência de calor causadas por formas irregulares, arestas grandes ou espaços entre as partículas. Isso aumenta significativamente a condutividade térmica geral do material compósito.
Dispersibilidade excepcional
A estrutura esférica confere ao pó de óxido de alumínio excelente fluidez e dispersibilidade. Comparadas a pós de óxido de alumínio com formato irregular — como flocos, agulhas e grumos — as partículas esféricas apresentam menor atrito entre si e são distribuídas de forma mais uniforme na matriz do material. Isso reduz a ocorrência de aglomeração. Essa distribuição uniforme garante a continuidade e a consistência da rede de condutividade térmica no material compósito. Consequentemente, evitam-se as flutuações na condutividade térmica causadas pela aglomeração localizada de partículas.
Excelente estabilidade química e resistência a altas temperaturas.
O enchimento esférico de alumina apresenta excepcional estabilidade química. Também é resistente a reações químicas com o meio circundante. Suas propriedades físicas e químicas permanecem estáveis em ambientes ácidos ou alcalinos, em condições de umidade ou durante uso prolongado. Não se degrada devido à corrosão, oxidação ou outros fatores. Isso garante a confiabilidade a longo prazo do material termicamente condutor. Ao mesmo tempo, possui excelente resistência a altas temperaturas, mantendo a integridade estrutural e a condutividade térmica mesmo em ambientes de alta temperatura.
Processo de preparação: Moldagem precisa do “pó” até a “forma esférica”
As propriedades superiores da alumina esférica derivam de sua estrutura esférica precisa e da distribuição controlável do tamanho das partículas. Isso é possível graças a um processo de preparação bem estabelecido. Atualmente, os principais métodos para preparar pó de alumina esférica incluem: fusão por chama, métodos de jato, métodos de molde, decomposição de aerossol, sol-gel, hidrotermal, centrifugação de gotículas e moagem de bolas.
Método de pulverização
O método de pulverização para a preparação de alumina esférica envolve o tratamento térmico do precursor utilizando uma fonte de calor de alta temperatura. O produto é então esferonizado por meio da tensão superficial. O método de pulverização divide-se em pirólise por pulverização, secagem por pulverização e fusão por pulverização. Dentre esses, o método de fusão por pulverização utiliza plasma de indução de radiofrequência para fundir a alumina sólida, que é então resfriada rapidamente por um jato de água para produzir alumina esférica. Esse método é utilizado principalmente para esferoidizar partículas de alumina com formato irregular. A alumina resultante apresenta alta esfericidade, mas o tamanho das partículas é difícil de controlar, variando da escala nanométrica à micrométrica.
Método de fusão por chama
Atualmente, o método de fusão por chama é comumente utilizado no mercado para produzir alumina esférica. Comparado ao método de fusão por jato de plasma, que possui nome semelhante, o método de fusão por chama envolve a injeção direta de pó de alumina com formato irregular em uma chama, onde o pó derrete para formar esferas. Este processo é simples e oferece vantagens em termos de controle de custos em relação ao método de jato de plasma. Os produtos esféricos resultantes apresentam alta condutividade térmica, boa esfericidade e tamanho de partícula controlável.
Método de modelo
O método de molde para a preparação de alumina esférica requer inicialmente um molde central. Uma camada de microesferas com estrutura de casca é depositada ao redor do molde central, que é então removido por métodos físico-químicos. O produto final são microesferas ocas. Com base nas características e limitações dos próprios moldes, esse método é geralmente classificado em métodos de molde rígido e métodos de molde flexível.
Método de decomposição de aerossóis
O método de decomposição de aerossóis para a preparação de esferas de alumina utiliza principalmente alcoolatos de alumínio líquidos como matéria-prima. A hidrólise em alta temperatura é empregada para vaporizar os alcoolatos de alumínio. Em seguida, aplica-se secagem ou tratamento em alta temperatura para formar, finalmente, pó de alumina esférico. As partículas produzidas por este método estão na escala nanométrica e, atualmente, não existem aplicações industriais para este processo.
Método Sol-Gel
O método sol-gel envolve a hidrólise ou polimerização de sais inorgânicos para formar precursores. Após lavagem com álcool, envelhecimento e tratamento térmico, obtém-se o pó de alumina. Como esse método utiliza solventes orgânicos e surfactantes, o pó de alumina resultante apresenta esfericidade próxima a 100%, com tamanhos de partícula variando da escala micrométrica à milimétrica. Uma desvantagem desse método é a dificuldade na separação e secagem do pó de alumina.
Método Hidrotérmico
O método hidrotérmico para a preparação de alumina esférica utiliza sais de alumínio como matéria-prima. Sob condições de alta temperatura e alta pressão, o material se dissolve e recristaliza, formando partículas esféricas de alumina. O pó de alumina produzido pelo método hidrotérmico apresenta alta pureza, forma controlável e é livre de aglomerados. No entanto, requer um ambiente de alta temperatura e alta pressão, além de ser altamente dependente de equipamentos especializados.
Método da Esfera de Queda
O primeiro passo na preparação de alumina esférica pelo método de gotejamento é a preparação de um sol de alumina pura. Partindo de um sol de alumina pura ácido, o sol é gotejado em uma camada de óleo; o agente gelificante é HMTA (hexametilenotetramina) ou uma mistura de ureia e HMTA. O material resultante é então envelhecido, seco e calcinado para formar partículas esféricas.
Moagem de bolas
O processo de moagem de bolas envolve a colocação de matérias-primas em um moinho de bolas. moinho de bolas, onde são moídas e agitadas por meios de moagem, transformando partículas grandes em pós ultrafinos. A moagem mecânica de bolas pode ser usada para produzir alumina esférica com diversos tamanhos de partícula. Este método apresenta equipamentos simples e confiáveis, facilita a produção em lotes e possui grande potencial para crescimento futuro do mercado.
A crescente penetração de veículos elétricos impulsiona a demanda por alumina esférica.
Em meio à tendência global de eletrificação automotiva, as principais montadoras, tanto nacionais quanto internacionais, estão intensificando seus investimentos estratégicos em veículos de novas energias. O setor de veículos de novas energias entrou em uma fase de rápido crescimento, impulsionado pela demanda do mercado. O mercado chinês de veículos de novas energias continua a se expandir em ritmo acelerado. Materiais de interface térmica, como materiais termicamente condutores e adesivos termicamente condutores, são utilizados em baterias, unidades de controle eletrônico e motores elétricos de veículos de novas energias. Espera-se que isso impulsione a demanda por cargas esféricas de alumina.
Controle eletrônico (E-Control):
Para reduzir a resistência térmica entre a fonte de calor e o caminho de resfriamento, é essencial melhorar a condutividade térmica do módulo. Portanto, uma camada de pasta térmica é normalmente aplicada na interface rígida entre o módulo IGBT e o dissipador de calor.
Preenchendo a interface com pasta térmica ou materiais similares, obtém-se contato total entre a fonte de calor e o dissipador de calor. Isso reduz significativamente a resistência térmica interfacial, melhora consideravelmente a dissipação de calor e, consequentemente, reduz efetivamente as perdas elétricas.
Motores de acionamento:
Em motores de acionamento, o estator é usado para gerar um campo magnético rotativo e normalmente é totalmente encapsulado com adesivo de alta condutividade térmica. Isso reduz a resistência térmica entre os enrolamentos e o núcleo do estator e melhora a condutividade térmica do sistema de isolamento. O aumento da temperatura do motor pode ser reduzido em aproximadamente 10 a 18 °C, aumentando a confiabilidade e a segurança de operação do motor.
Setor de baterias de energia:
As baterias de alta potência são o "coração" dos veículos de novas energias. Seu monitoramento e gerenciamento térmico impactam diretamente o desempenho geral e a segurança do veículo. Atualmente, materiais de enchimento como hidróxido de alumínio, alumina angular e alumina esférica atendem aos requisitos de condutividade térmica. No entanto, os fabricantes de baterias de alta potência impõem controles de segurança extremamente rigorosos, e as estruturas dos módulos de bateria e os métodos de dissipação de calor variam amplamente. Após uma avaliação abrangente, a alumina esférica emergiu como a principal escolha. Ela se tornou o principal material de enchimento termicamente condutor, equilibrando perfeitamente os requisitos de alta condutividade térmica e forte resistência à chama.
Conclusão
Como material fundamental no campo dos enchimentos termicamente condutores, a alumina esférica destaca-se pelas suas vantagens estruturais únicas, desempenho superior e ampla gama de aplicações. Desempenha um papel insubstituível no desenvolvimento de indústrias de ponta. Com a otimização contínua dos processos de fabricação e os avanços constantes nas tecnologias de funcionalização, a alumina esférica está preparada para demonstrar o seu valor em uma gama ainda mais ampla de campos. Também proporcionará uma base sólida para o desenvolvimento de tecnologias de gestão térmica.
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— Publicado por Emily Chen
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