Mit der Entwicklung elektronischer Geräte hin zu Miniaturisierung und hoher Leistungsfähigkeit ist eine effiziente Wärmeableitung zu einem Schlüsselfaktor für deren stabilen Betrieb geworden. Als Hauptbestandteil von Wärmeleitmaterialien beeinflusst die morphologische Auswahl von wärmeleitendem Aluminiumoxidpulver direkt die Wärmeleitfähigkeit und die Verarbeitungstechnologie von Verbundwerkstoffen. Unter den verschiedenen Morphologien gilt sphärisches Aluminiumoxid aufgrund seiner einzigartigen geometrischen Struktur und hervorragenden Fließfähigkeit als Lösung mit der besten Dispergierbarkeit und treibt die technologische Innovation im Bereich der Wärmeleitmaterialien voran.
Morphologie bestimmt die Leistung: Sphärisches Aluminiumoxid weist deutliche Vorteile hinsichtlich der Dispergierbarkeit auf
Im Bereich der wärmeleitenden Füllstoffe hat die Morphologie von Aluminiumoxidpulver einen entscheidenden Einfluss auf dessen Dispergierbarkeit in Matrixmaterialien. Studien haben gezeigt, dass Aluminiumoxidpulver mit unterschiedlichen Morphologien signifikante Unterschiede in Polymermatrices aufweisen:
Sphärisches Aluminiumoxidpulver:Es besitzt eine regelmäßige geometrische Form und eine glatte Oberfläche, wodurch sich die Partikel in der Matrix leichter bewegen und rollen können, was eine gleichmäßige Verteilung ermöglicht. Es ist gut fließfähig und füllt die Zwischenräume der Matrix dicht aus, wodurch ein effizientes Wärmeleitnetzwerk entsteht und gleichzeitig der Verschleiß der Mischanlage reduziert wird.
Kantiges/unregelmäßiges Aluminiumoxidpulver:Aufgrund ihrer rauen und kantigen Oberfläche neigen die Partikel zu mechanischer Verzahnung und elektrostatischer Adsorption, was zu starker Agglomeration führt. Dieses Pulver weist eine schlechte Fließfähigkeit und eine ungleichmäßige Verteilung in der Matrix auf, wodurch Bereiche mit geringer Wärmeleitfähigkeit entstehen.
Faseriges Aluminiumoxidpulver:Obwohl die Struktur mit hohem Aspektverhältnis Wärmeleitwege in bestimmten Richtungen bieten kann, gibt es offensichtliche Orientierungsprobleme, die eine gleichmäßige dreidimensionale Verteilung erschweren und die Bruchgefahr während der Verarbeitung erhöhen.
Flockenförmiges Aluminiumoxidpulver:Die zweidimensionale, planare Struktur begünstigt eine parallele Anordnung unter Scherkräften. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit in der Ebene hoch ist, ist die Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Ebene gering und anfällig für Setzungen und Delaminationen.
Wissenschaftlicher Mechanismus: Warum begünstigt eine sphärische Struktur die Dispersion?
Der Vorteil der besseren Dispergierbarkeit von kugelförmigem Aluminiumoxid beruht auf seinem einzigartigen physikalischen Wirkmechanismus:
Geometrischer Effekt:Perfekt kugelförmige Partikel erfahren im Strömungsfeld eine gleichmäßige Krafteinwirkung, wodurch lokale Spannungskonzentrationen aufgrund unregelmäßiger Formen reduziert werden. Bei einer Partikelgrößenverteilung im Bereich von 1–5 Mikrometern erreichen kugelförmige Partikel die optimale Packungsdichte (theoretisch bis zu 74 %), die deutlich höher ist als bei eckigen (ca. 64 %) und blattförmigen (ca. 58 %) Füllstoffen. Eine dichte Packung führt zu weniger Grenzflächendefekten und einem kohärenteren Wärmeleitnetzwerk.
Oberflächeneigenschaften:Die Oberflächenenergie von sphärischem Aluminiumoxid, das mittels Plasmaverfahren hergestellt wird, ist relativ niedrig, und die Reinheit kann nach der Reinigungsbehandlung über 99,99 % erreichen, wodurch die durch Verunreinigungen verursachte Grenzflächenwechselwirkung reduziert wird.
Rheologisches Verhalten:Sphärische Partikel erzeugen unter Schereinwirkung einen rollenden Effekt, und die Viskosität des Systems nimmt mit steigender Schergeschwindigkeit rapide ab, was typisch für pseudoplastische Flüssigkeiten ist. Dadurch lässt sich das Material während der Verarbeitung leichter verarbeiten und kann nach dem Stoppen seine strukturelle Festigkeit schnell wiedererlangen, wodurch Setzungen verhindert werden.
Ein Bericht aus der Pulverringindustrie zeigt, dass der Wärmewiderstand von mit kugelförmigem Aluminiumoxid gefülltem wärmeleitendem Silikonfett im Vergleich zu herkömmlichen Produkten um mehr als 50 % reduziert werden kann und dass die Temperaturdifferenz bei CPU-Wärmeableitungsanwendungen bis zu 15 °C erreichen kann. Diese Daten bestätigen eindeutig die Verbesserung der Wärmeableitung durch eine gute Dispersion.
Zusammenfassen
Im Bereich der Wärmemanagementmaterialien hat sich die Morphologiegestaltung zu einer Schlüsselstrategie zur Verbesserung der Füllstoffleistung entwickelt. Sphärisches Aluminiumoxid bietet aufgrund seiner regelmäßigen geometrischen Form, niedrigen Oberflächenenergie und ausgezeichneten Fließfähigkeit signifikante Vorteile hinsichtlich der Dispergierbarkeit und bildet somit die Grundlage für die Miniaturisierung und die Entwicklung leistungsstarker elektronischer Bauelemente. Dank der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Oberflächenmodifizierungstechnologien und Compoundierungsverfahren überwinden sphärische Aluminiumoxid-Füllstoffe traditionelle Grenzen und spielen eine zunehmend wichtige Rolle in Bereichen wie 5G-Kommunikation, High-End-Chips und Elektrofahrzeugen.
Zukünftig wird erwartet, dass sphärisches, wärmeleitendes Aluminiumoxidpulver durch die gemeinsame Innovation von Morphologiekontrolle, Oberflächentechnik und Rezepturoptimierung präzise Wärmeleitnetzwerke aufbauen und so revolutionäre Fortschritte bei Wärmemanagementmaterialien ermöglichen wird. Die technologische Kompetenz chinesischer Unternehmen wie Dongchao New Materials treibt Chinas Wandel von einem Materialriesen zu einer führenden Materialwirtschaftsnation voran.