大單晶氧化鋁vs球形氧化鋁：在導(dǎo)熱應(yīng)用上有什么區(qū)別？

氧化鋁是當(dāng)今市場(chǎng)上用量最大的導(dǎo)熱填料之一，它價(jià)格較低，來(lái)源較廣，物理化學(xué)穩(wěn)定性好，偶聯(lián)改性后填充份數(shù)高，是高導(dǎo)熱絕緣聚合物的經(jīng)濟(jì)適用型填料，可廣泛應(yīng)用于多種有機(jī)基體中，堪稱是導(dǎo)熱填料的主力大軍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)導(dǎo)熱用氧化鋁產(chǎn)能兩萬(wàn)噸左右，用量大于1.5萬(wàn)噸每年，總產(chǎn)值4-5億元人民幣，發(fā)展速度迅猛。

氧化鋁粉體與導(dǎo)熱硅膠

雖說(shuō)氧化鋁的產(chǎn)品種類繁多，但作為導(dǎo)熱填料使用時(shí)，最受關(guān)注的只有兩種，一是球形氧化鋁；二則是近年異軍突起的大單晶氧化鋁。以下是對(duì)這兩種氧化鋁填料的簡(jiǎn)單介紹：

① 球形氧化鋁

球形氧化鋁具有規(guī)則的形貌，較小的比表面積，較好的流動(dòng)性，用于絕緣導(dǎo)熱材料時(shí)填充量大，具有較高的性價(jià)比，是目前導(dǎo)熱絕緣硅膠材料中的主要導(dǎo)熱絕緣填料。制備球形氧化鋁主要使用火焰熔融法，是采用約2050℃的溫度將氧化鋁多晶體熔融并收縮成球形，其形貌球形度高，流動(dòng)性良好。

火焰熔融法球形氧化鋁生產(chǎn)示意圖


② 大單晶氧化鋁

單晶氧化鋁粉體是由氫氧化鋁或者工業(yè)氧化鋁添加特殊礦化劑，置于高溫爐中高溫煅燒相轉(zhuǎn)化，冷卻后球磨，達(dá)到一定粒度后經(jīng)表面處理、水洗、分級(jí)烘干后得到的白色粉末結(jié)晶體。其填充性、穩(wěn)定性、流動(dòng)性、吸油值等表現(xiàn)都極佳。

在粉體圈以前的文章中，我們雖有分別對(duì)球形氧化鋁和大單晶氧化鋁進(jìn)行介紹，卻從未直接比較過(guò)兩者的導(dǎo)熱性能差異。恰逢孫志昂教授到訪粉體圈，小編趁此機(jī)會(huì)特地向他請(qǐng)教了這個(gè)問(wèn)題，到底這兩者在導(dǎo)熱應(yīng)用上有什么區(qū)別。

01一致的地方

首先，孫教授先談到了兩者一致的地方，無(wú)論是球形氧化鋁，還是大單晶氧化鋁，它們的比表面都比較小，其次它們的單個(gè)顆粒導(dǎo)熱率都差不多，單晶氧化鋁應(yīng)略高于球形氧化鋁。

這樣看起來(lái)是不是無(wú)論用球鋁還是大單晶氧化鋁都無(wú)甚區(qū)別？Nonono，接著往下看。

02應(yīng)用上的區(qū)別

雖然理論上看起來(lái)差不多，但實(shí)際用起來(lái)時(shí)，兩者的差異性就很明顯了。

①首先是填充量的區(qū)別。球形氧化鋁它的比表面比較小，球形度高，粘度非常小，因此往導(dǎo)熱硅膠里加的時(shí)候特別好加。同時(shí)，球形氧化鋁的篩分以及級(jí)配都已有很多經(jīng)驗(yàn)，因此在應(yīng)用上門(mén)檻較低。

10μm球形氧化鋁掃描電鏡照片

（20000倍）

不同粒徑的球形填料的搭配示意圖

圖片來(lái)源：長(zhǎng)興實(shí)業(yè)

而大單晶氧化鋁的比表面雖然差不多，可它要做到類球形的難度較高——即便是業(yè)內(nèi)做得比較好的河南長(zhǎng)興實(shí)業(yè)有限公司，20μm級(jí)別的球形度也只能做到85%-88%。因此在填充時(shí)的大單晶氧化鋁的添加量無(wú)可避免比較小。而且也因?yàn)樾螤畈粔驁A的關(guān)系，大單晶氧化鋁的級(jí)配要求更嚴(yán)格，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，不好把握。

大單晶類球形氧化鋁掃描電鏡照片（左：500倍；右：20000倍）

圖片來(lái)源：長(zhǎng)興實(shí)業(yè)

②其次是顯微結(jié)構(gòu)的對(duì)比。球形氧化鋁的顯微結(jié)構(gòu)中含有少量的氣孔和微裂紋，因此它本身的熱導(dǎo)率是不如大單晶氧化鋁的。在實(shí)際應(yīng)用中，球鋁實(shí)際上是通過(guò)較大的填充量來(lái)達(dá)到提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率的目的。與之相比，大單晶氧化鋁的形貌規(guī)整，粒度方面業(yè)內(nèi)也已能做到20~40μm，在導(dǎo)熱性能上有明顯優(yōu)勢(shì)。

70μm球形氧化鋁放大1000倍后能清晰看到氣孔和裂縫

（圖片來(lái)源：長(zhǎng)興實(shí)業(yè)）

③接著是α相含量的區(qū)別。無(wú)論是球形氧化鋁還是大單晶氧化鋁，它們的主要成分都是α-Al2O3，α相含量越高，性質(zhì)就越穩(wěn)定，致密度也越高。在這點(diǎn)上，球形氧化鋁有個(gè)致命缺陷，它的α相只有百分之八十幾，導(dǎo)致它的真密度最大只有3.90g/m2左右（大單晶氧化鋁為3.98以上），同時(shí)化學(xué)純度不夠。

化學(xué)純度不足的原因是因?yàn)榍蜾X是用α氧化鋁熔融形成的，在急速快冷的過(guò)程中轉(zhuǎn)化形成一部分γ相氧化鋁——孫志昂教授提到，雖然理論上形成α-Al2O3的過(guò)程是不可逆的，但不知為何在球鋁實(shí)際生產(chǎn)中就是出現(xiàn)了α含量低、真密度小的問(wèn)題。實(shí)際上早在1966年上硅所楊國(guó)慶，嚴(yán)東升等論文中就提出α氧化鋁高溫急冷中生成了介穩(wěn)定的γ氧化鋁和δ氧化鋁（希望有興趣者進(jìn)一步研究解決此問(wèn)題以提高球鋁的α相含量），上述介穩(wěn)定的氧化鋁在一定溫度條件下可與導(dǎo)熱材料發(fā)生反應(yīng)，最終可能會(huì)加速出現(xiàn)老化等一系列問(wèn)題。

α-氧化鋁晶體結(jié)構(gòu)

而大單晶氧化鋁就不會(huì)出現(xiàn)以上問(wèn)題。所以在一些高端的場(chǎng)合，比如說(shuō)日本那邊，就常用球形度較高的大單晶氧化鋁作填料使用。

④最后是生產(chǎn)難度的區(qū)別。球形氧化鋁的生產(chǎn)及應(yīng)用工藝已經(jīng)十分成熟，而與之相比，大單晶氧化鋁在導(dǎo)熱市場(chǎng)的應(yīng)用還比較少，究其原因就在于球形化加工生產(chǎn)難度太大成本較高。孫志昂教授透露，日本那邊出口的球形度較高的大單晶氧化鋁如40、60微米的售價(jià)在30-50萬(wàn)/噸。那么國(guó)內(nèi)能不能做呢？——很可惜，由于單晶氧化鋁的硬度太高，目前國(guó)內(nèi)仍缺乏相關(guān)的球形化技術(shù)和設(shè)備。如果使用現(xiàn)有的設(shè)備，暫時(shí)來(lái)講它對(duì)設(shè)備的磨損度是無(wú)法接受的，因此要發(fā)展類球形大單晶氧化鋁在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用，更有效的球形化設(shè)備的研發(fā)是必須的。

03總結(jié)

用大白話講就是，大單晶氧化鋁的導(dǎo)熱潛力要比球形氧化鋁要高，但要用好它，難度也比球鋁大，關(guān)鍵點(diǎn)就在于“球形化”這臨門(mén)一腳。

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