冰火两重天！高纯氧化铝，如何做到既能导热又能隔热？

众所周知，氧化铝是导热填料主力大军，α型Al2O3热导率大约为33~36W/(m·K)，体积电阻率约为1010Ω·cm，是良好的导热绝缘填料。α-Al2O3的颗粒形貌有球形、片状、不规则多棱角、蠕虫状、椭球状等多种形态；粒径范围有纳米级、亚微米级和微米级；颗粒结构有多晶和单晶之分，不同的微观结构对导热材料的性能影响很大。

普通氧化铝由于其表面含有大量羟基，极性较强，在有机硅油或环氧树脂中填充量较低，难以满足工业需求。相比而言，球形氧化铝填充量有一定程度提高，其球形度高、比表面积小，可实现高密度填充，获得粘度低、流动性好的混合物，易于均匀分散；此外其具备优异的电绝缘性、高热稳定性、低热膨胀系数和良好的机械性能，适用于电子封装等高性能领域。

当然，仅从导热效果来考虑的话，片状氧化铝是最优选择，片状颗粒易于相互接触形成“面-面”导热通路，阻力小，导热效率高。同时，其表面平整，易与聚合物大分子链结合，形成交联结构，利于热量传递，这种片状氧化铝热膨胀系数可调，有助于提高导热界面材料的尺寸稳定性。

不同形貌的Al2O3的SEM图

但在实际生产中，片状氧化铝在聚合物中易引起体系粘度升高，影响加工性能，且易沉降导致材料分层，因此对成型工艺要求更高，是其在导热硅胶垫片中应用相对较少的主要原因。

所以，基于不同形貌导热氧化铝体系稳定性、高性能、低成本等需求考量，通过实现球形、类球形、尖角形氧化铝填料紧密堆积，搭建导热网络结构，从而提升导热界面材料导热系数，制备出复合导热氧化铝填料复合材料有望得到广泛应用，市场需求会越来越大。

从纯度来看，标准氧化铝的纯度通常约为99.8%，但当其精炼纯度为99.99%的高纯氧化铝时，其导热性会进一步提高。这是因为氧化铝中的杂质和缺陷会干扰晶格振动中声子的平稳流动，一般显著影响导热性的常见杂质是钠，作为碱金属，钠会引起晶体结构的扭曲，从而阻碍热流。传统氧化铝的钠含量可能超过100ppm，通过高效可持续的工艺生产的高纯度氧化铝可将钠含量保持在10ppm以下。由于杂质含量低且结构均匀，高纯度氧化铝能够实现更好的声子传输，并带来卓越的热性能。

但当氧化铝的结构发生改变，变为多孔结构，就能具备优异的隔热耐火性能，这是为什么？这主要是以下原因：

一方面，同一材料在不同温度下热导率是会变化的。随着工业窑炉内温度的升高，氧化铝的热导率会不断下降，1200℃下的热导率大概只有400℃下的热导率的一半左右。不过，氧化铝的热导率在常温下有20-30W/(m·K），即使高温窑炉内达到1200℃，也能达到将近10W/(m·K）的热导率，比很多材料的热导率都要高。所以说，氧化铝具有隔热特性，根本原因还在于其结构的变化。

氧化铝做导热材料时，一般要求密度和纯度较高，以减少原子或离子无序排列的玻璃相成分。但氧化铝做隔热材料最大的特点是其结构是多孔、低密度，其低导热系数、高机械强度和高使用温度的特点成为目前热工窑炉炉衬材料的理想选择之一。

隔热材料是通过独特的组成结构可以有效抑制热传导、热对流与热辐射的传递路径，从而实现高效隔热。隔热材料的热量传递主要是通过固相的热传导，气相的热传导和辐射传热三种途径进行。而固相的热传导最为重要，即使在较高温下，由固相传导的热量仍占70%。

隔热材料中的热传递及传热机理示意图

这种多孔结构在固相的热传导中，主要为两条路线：其一是通过气孔内的气体传热，主要有空气对流传热、辐射传热以及气体分子的运动导致的传热这三种方式；另一条路线则仍是固相传递，但其传热方向发生了变化，大大延长了总的传热路线；因此氧化铝多孔陶瓷在一定程度上既可以阻隔热传导，也能够阻隔热辐射，从而有效地起到隔热保温的作用。

纳米多孔氧化铝隔热材料分类

纳米多孔氧化铝隔热材料主要包括氧化铝气凝胶隔热材料和纳米氧化铝压制隔热材料等，其具有低密度、低热导率、耐高温的特点，在工业及航空航天等领域具有广阔的应用前景。

氧化铝气凝胶隔热材料

氧化铝气凝胶的制备过程主要包括溶胶、凝胶、老化和干燥等步骤。

氧化铝气凝胶隔热复合材料的制备工艺路线图

氧化铝气凝胶制备时通常先将铝盐转化为溶液或溶胶，然后经过化学反应形成凝胶，最后将其干燥处理获得氧化铝气凝胶。该过程以溶胶凝胶法为核心，结合不同的干燥技术，以保持纳米多孔网络结构。通过溶胶-凝胶方法制备的氧化物气凝胶，工艺灵活性强，样品的各项指标更为优异，工艺发展也更为成熟，因此是氧化铝气凝胶制备工艺的主要发展方向。

纳米氧化铝压制隔热材料

纳米氧化铝压制隔热材料是由纳米氧化铝颗粒堆积形成的多孔结构，大量孔隙可以有效阻断气体分子热传导，固体骨架热导率低，纳米级粒径显著增加热量散射，降低热导率。

纳米氧化铝压制隔热材料的制备方法主要是将纳米氧化铝粉体颗粒作为基体与增强体相结合，开发出性能优越的隔热材料，其制备技术大致可分为干法成型和湿法成型两种类型。

1）干法成型

干法成型是在无液体或少量液体的条件下，将纳米基体与增强材料进行混合和干压成型，此方法条件温和，操作简便且环保。具体通过机械手段将纳米粉体、增强材料和黏结剂等固态原料均匀混合，然后将混合物装入模具中，利用压力机在特定的条件下进行压制，从而制得纳米复合材料。

2）湿法成型

湿法成型以纳米氧化物粉体为原料，在原料混合过程中，加入去离子水等液体作为溶剂，通过机械搅拌的方式，将原料混合为具有一定流动性的浆料，而后将浆料装入模具中，再经过滤、干燥、热处理等方式去除溶剂，得到纳米氧化物隔热材料。

采用湿法成型的纳米氧化铝压制隔热材料的室温热导与干法成型的材料相近且溶剂的存在使得原料混合更均匀，具有更好的分散性；易于控制浆料的配比，可以精确地控制参数，如浓度等。

来源：
张岩岩等：导热氧化铝填料配方工艺对界面材料导热性能的影响研究
导热邦：高纯氧化铝为何具有高导热性？
高温节能保温技术：氧化铝隔热材料的隔热机理、影响因素及研究现状
刘阳明等：纳米多孔氧化铝隔热材料研究进展
李卫聊科技：为什么氧化铝陶瓷既可隔热、又可导热？