球形氧化鋁具有高導(dǎo)熱、流動性好、絕緣性好等獨特性質(zhì)，被廣泛用作導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱工程塑料以及鋁基覆銅板的導(dǎo)熱填料。

01 球形氧化鋁的前世今生

• 起源：鋁土礦

自然界中含鋁礦物和巖石種類豐富，如鋁土礦、頁巖、明礬石、霞石正長巖、黏土、煤矸石、粉煤灰等，這些礦物及巖石都可以作為提取鋁的原料，然而截至目前，唯一具有商業(yè)開采價值的原料只有鋁土礦。鋁土礦通常是指以一水軟鋁石、一水硬鋁石、三水鋁石為主要成分的礦物。

鋁土礦主要分布在幾內(nèi)亞（儲量74億噸）、澳大利亞（儲量62億噸）和巴西（儲量26億噸）、牙買加（20億噸），四國已探明鋁土礦儲量約占全球鋁土礦總儲量280億噸的65%。從全球鋁土礦儲量角度來看，我國不屬于鋁土礦資源豐富的國家，鋁土礦儲量為9.8億噸，主要分布在山西、貴州、廣西和河南四省（山西41.6%、貴州17.1%、河南16.7%、廣西15.5%）。

• 轉(zhuǎn)化：氧化鋁

鋁土礦提煉氧化鋁是一個經(jīng)典的化工產(chǎn)業(yè)。目前，世界上95%的鋁業(yè)公司都在使用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁，該方法由奧地利工程師卡爾·約瑟夫·拜耳初創(chuàng)于1887年。拜耳法工藝原理：用濃氫氧化鈉溶液將鋁土礦中的氧化鋁水合物轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉，通過稀釋和添加氫氧化鋁晶種使氫氧化鋁重新析出，剩余的鋁酸鈉溶液也叫母液重新用于處理下一批鋁土礦。

圖1 拜耳法經(jīng)典工藝流程

氧化鋁中主要雜質(zhì)為硅、鐵、鈉，一部分是鋁土礦中自身含有，一部分則是提煉工藝中引入的，特別是鈉雜質(zhì)。

后來根據(jù)鋁土礦品位差異，衍生出燒結(jié)法、和拜耳法-燒結(jié)法聯(lián)合法等多種工藝方法。

圖2 鋁土礦主流提煉工藝對比

氧化鋁是現(xiàn)代工業(yè)中極為重要的基礎(chǔ)原料。90%以上氧化鋁被用作電解鋁原料，通過冰晶石-氧化鋁融鹽電解法冶煉出金屬鋁，廣泛應(yīng)用到工業(yè)體系。

剩下10%氧化鋁因為氧化鋁多變的特性，被用到各種細(xì)分行業(yè)。例如：陶瓷、高溫耐材、吸附催化、導(dǎo)熱、光學(xué)等行業(yè)。

圖3 氧化鋁的相變過程

• 進(jìn)階：球形氧化鋁

致密的晶體構(gòu)型賦予α氧化鋁優(yōu)良的導(dǎo)熱絕緣性能，特別是球形化后的氧化鋁，成為了導(dǎo)熱散熱材料的主力軍。

不同于氧化鋁的電解應(yīng)用，導(dǎo)熱用氧化鋁對鈉雜質(zhì)要求更高，因此適宜選用經(jīng)煅燒加工的低鈉氧化鋁，其中鈉含量低至300ppm以下。經(jīng)火焰法高溫熔融，氧化鋁顆?？焖偃刍湛s成球形微粒，再經(jīng)分級、清洗、干燥等一系列精細(xì)處理工藝，最終制備出電子行業(yè)適用的球形氧化鋁產(chǎn)品。

球形氧化鋁工藝核心在于粉末的球形化及粒度、離子雜質(zhì)的控制。球化效果直接影響到應(yīng)用粘度，粒度波動也會影響導(dǎo)熱配方導(dǎo)熱性能的穩(wěn)定性，離子雜質(zhì)會干擾配方粘度，反應(yīng)效果等。

02 球形氧化鋁到底好在哪里？

• 球鋁的形貌結(jié)構(gòu)

先從形貌結(jié)構(gòu)上讓大家直觀感受下角鋁（不規(guī)則形貌氧化鋁）和球鋁的差異。

從圖1中看到角鋁的形貌不規(guī)則，有棱角，表面粗糙有氣孔，粒度分布寬；從圖2中看到球鋁球形度好，無棱角，表面光滑無氣孔，粒度分布更均一。

基于形貌結(jié)構(gòu)的差異，在制膠和實際應(yīng)用的過程中角鋁因棱角鋒利，更易磨蝕制膠設(shè)備和點膠設(shè)備；而球鋁球形度好可以延長相關(guān)設(shè)備的使用壽命。

我們知道幾何上相同體積下球體的表面積最小，因而球鋁的比表面積注定小于角鋁。以常規(guī)的5微米粉體為例給大家展示球鋁這方面的優(yōu)勢。

表1 常規(guī)5微米角鋁和球鋁比表面積

從表1中看出相對于5微米的角鋁，球鋁的比表面積下降幅度達(dá)38%！伴隨著比表面積的下降，應(yīng)用到高分子樹脂中時粘度也會隨之下降！

到這里我們了解到了球鋁的結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，那么在應(yīng)用到球鋁用量較大的有機(jī)硅體系中時，到底會有怎么樣的表現(xiàn)呢？我們從單粉和復(fù)配兩個角度進(jìn)行展開。

• 單粉對比

以常規(guī)的5微米球鋁和角鋁為例介紹，結(jié)果見表2。

表2 單粉球鋁和角鋁粘度對比

注：粘度測試采用Anton Paar MCR302流變儀。

由表2可知在相同添加量下，球鋁樣品的粘度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于角鋁樣品的粘度；此外，在87%填充時球鋁的粘度小于83%時角鋁的粘度，而角鋁在87%時已經(jīng)無法制樣成型，這顯示出球鋁優(yōu)良的性能和極大的應(yīng)用潛力。

• 復(fù)配對比

在相對高的導(dǎo)熱率時填充量會更大，出于各方面性能的綜合考慮，此時需要復(fù)配才可滿足。復(fù)配就是采用大粉和小粉進(jìn)行合理搭配以達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。

在此以常見的40微米球鋁和5微米球鋁/角鋁分別復(fù)配為例，在填充率87.5%的條件下進(jìn)行對比，實驗結(jié)果見表3。

表3 復(fù)配對比

注：粘度測試采用Brookfield粘度計。

大粉為球鋁小粉為角鋁時粘度較大，且放置6天后出現(xiàn)粘度增長的現(xiàn)象，觸變性也增加，這對粘度有較大要求的高端應(yīng)用時存在極大風(fēng)險；

而大小粉均為球鋁時粘度較小，且放置后無增粘現(xiàn)象，可放心使用。

為什么球鋁表現(xiàn)這么好？

除了上述的比表面積，粒子形狀也有影響。含有導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱膠在流動時，內(nèi)部的填料也一直在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，因而粒子的形狀影響很大。形狀越是偏離球形，影響就越大，因為旋轉(zhuǎn)不同形狀粒子所需的空間大小不同。而想獲得更高的導(dǎo)熱率就需要填充更多的填料，那么形狀帶來的影響將會進(jìn)一步加大，表現(xiàn)為更高的粘度。因此球鋁才表現(xiàn)的這么優(yōu)異。

本文標(biāo)題：導(dǎo)熱材料：球形氧化鋁到底好在哪里？

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