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大单晶氧化铝vs球形氧化铝:在导热应用上有什么区别?

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大单晶氧化铝vs球形氧化铝:在导热应用上有什么区别?

氧化铝是当今市场上用量最大的导热填料之一,它价格较低,来源较广,物理化学稳定性好,偶联改性后填充份数高,是高导热绝缘聚合物的经济适用型填料,可广泛应用于多种有机基体中,堪称是导热填料的主力大军。据统计,目前国内导热用氧化铝产能两万吨左右,用量大于1.5万吨每年,总产值4-5亿元人民币,发展速度迅猛。

氧化铝粉体与导热硅胶

虽说氧化铝的产品种类繁多,但作为导热填料使用时,最受关注的只有两种,一是球形氧化铝;二则是近年异军突起的大单晶氧化铝。以下是对这两种氧化铝填料的简单介绍:




① 球形氧化铝

球形氧化铝具有规则的形貌,较小的比表面积,较好的流动性,用于绝缘导热材料时填充量大,具有较高的性价比,是目前导热绝缘硅胶材料中的主要导热绝缘填料。制备球形氧化铝主要使用火焰熔融法,是采用约2050℃的温度将氧化铝多晶体熔融并收缩成球形,其形貌球形度高,流动性良好。

火焰熔融法球形氧化铝生产示意图


② 大单晶氧化铝

单晶氧化铝粉体是由氢氧化铝或者工业氧化铝添加特殊矿化剂,置于高温炉中高温煅烧相转化,冷却后球磨,达到一定粒度后经表面处理、水洗、分级烘干后得到的白色粉末结晶体。其填充性、稳定性、流动性、吸油值等表现都极佳。


在粉体圈以前的文章中,我们虽有分别对球形氧化铝和大单晶氧化铝进行介绍,却从未直接比较过两者的导热性能差异。恰逢孙志昂教授到访粉体圈,小编趁此机会特地向他请教了这个问题,到底这两者在导热应用上有什么区别。

01一致的地方

首先,孙教授先谈到了两者一致的地方,无论是球形氧化铝,还是大单晶氧化铝,它们的比表面都比较小,其次它们的单个颗粒导热率都差不多,单晶氧化铝应略高于球形氧化铝。

这样看起来是不是无论用球铝还是大单晶氧化铝都无甚区别?Nonono,接着往下看。

02应用上的区别

虽然理论上看起来差不多,但实际用起来时,两者的差异性就很明显了。

首先是填充量的区别。球形氧化铝它的比表面比较小,球形度高,粘度非常小,因此往导热硅胶里加的时候特别好加。同时,球形氧化铝的筛分以及级配都已有很多经验,因此在应用上门槛较低。

10μm球形氧化铝扫描电镜照片

20000倍)

不同粒径的球形填料的搭配示意图

图片来源:长兴实业

而大单晶氧化铝的比表面虽然差不多,可它要做到类球形的难度较高——即便是业内做得比较好的河南长兴实业有限公司,20µm级别的球形度也只能做到85%-88%。因此在填充时的大单晶氧化铝的添加量无可避免比较小。而且也因为形状不够圆的关系,大单晶氧化铝的级配要求更严格,需要进行大量的试验,不好把握。

大单晶类球形氧化铝扫描电镜照片(左:500倍;右:20000倍)

图片来源:长兴实业

其次是显微结构的对比。球形氧化铝的显微结构中含有少量的气孔和微裂纹,因此它本身的热导率是不如大单晶氧化铝的。在实际应用中,球铝实际上是通过较大的填充量来达到提高复合材料的热导率的目的。与之相比,大单晶氧化铝的形貌规整,粒度方面业内也已能做到20~40µm,在导热性能上有明显优势。

70μm球形氧化铝放大1000倍后能清晰看到气孔和裂缝

(图片来源:长兴实业)

接着是α相含量的区别。无论是球形氧化铝还是大单晶氧化铝,它们的主要成分都是α-Al2O3α相含量越高,性质就越稳定,致密度也越高。在这点上,球形氧化铝有个致命缺陷,它的α相只有百分之八十几,导致它的真密度最大只有3.90g/m2左右(大单晶氧化铝为3.98以上),同时化学纯度不够。

化学纯度不足的原因是因为球铝是用α氧化铝熔融形成的,在急速快冷的过程中转化形成一部分γ相氧化铝——孙志昂教授提到,虽然理论上形成α-Al2O3的过程是不可逆的,但不知为何在球铝实际生产中就是出现了α含量低、真密度小的问题。实际上早在1966年上硅所杨国庆,严东升等论文中就提出α氧化铝高温急冷中生成了介稳定的γ氧化铝和δ氧化铝(希望有兴趣者进一步研究解决此问题以提高球铝的α相含量),上述介稳定的氧化铝在一定温度条件下可与导热材料发生反应,最终可能会加速出现老化等一系列问题。

α-氧化铝晶体结构

而大单晶氧化铝就不会出现以上问题。所以在一些高端的场合,比如说日本那边,就常用球形度较高的大单晶氧化铝作填料使用。

最后是生产难度的区别。球形氧化铝的生产及应用工艺已经十分成熟,而与之相比,大单晶氧化铝在导热市场的应用还比较少,究其原因就在于球形化加工生产难度太大成本较高。孙志昂教授透露,日本那边出口的球形度较高的大单晶氧化铝如4060微米的售价在30-50/。那么国内能不能做呢?——很可惜,由于单晶氧化铝的硬度太高,目前国内仍缺乏相关的球形化技术和设备。如果使用现有的设备,暂时来讲它对设备的磨损度是无法接受的,因此要发展类球形大单晶氧化铝在导热领域的应用,更有效的球形化设备的研发是必须的。

03总结

用大白话讲就是,大单晶氧化铝的导热潜力要比球形氧化铝要高,但要用好它,难度也比球铝大,关键点就在于球形化这临门一脚。

文章转载粉体圈

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