球形氧化鋁：導(dǎo)熱填料界的“硬核”擔(dān)當(dāng)

隨著高導(dǎo)熱材料的需求日漸增加，填充型導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料具有良好的應(yīng)用前景。導(dǎo)熱復(fù)合材料的性能很大程度上取決于導(dǎo)熱填料的選擇，氧化鋁（Al2O3）是一種常見的陶瓷填料，具有較高的硬度和良好的導(dǎo)熱性能，是提高材料導(dǎo)熱性能的常用選擇。

我國(guó)擁有豐富的鋁土礦資源，是世界第一大氧化鋁生產(chǎn)國(guó)。Al2O3有α、γ、δ、η、θ、κ等很多種晶型結(jié)構(gòu)，其中α型Al2O3最穩(wěn)定，其晶格氧離子為六方密排結(jié)構(gòu)，鋁離子對(duì)稱地分布在氧離子圍成的八面體中心，晶格能很大。α型Al2O3的顆粒形貌有球形、片狀、不規(guī)則多棱角、橢球狀等多種形態(tài)，不同的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱材料性能影響很大。目前市場(chǎng)上用得較多的導(dǎo)熱填料主要是球形氧化鋁。

球形氧化鋁，圖源：蘭陵縣益新礦業(yè)科技有限公司

01 獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：球形結(jié)構(gòu)賦予的“先天稟賦”

卓越的熱導(dǎo)率。氧化鋁是一種無機(jī)非金屬材料，具有優(yōu)異的熱導(dǎo)率，其球形結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化了其熱導(dǎo)率路徑。在復(fù)合材料中，球形顆粒可以形成更連續(xù)、更平滑的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而降低熱阻。當(dāng)熱量在材料內(nèi)部傳遞時(shí)，球形顆粒之間的接觸面積相對(duì)較大且分布更均勻，避免了形狀不規(guī)則且邊緣大或堆疊間隙導(dǎo)致的熱傳遞中斷，從而顯著提升了復(fù)合材料的整體熱導(dǎo)率。

出色的分散性。球形結(jié)構(gòu)賦予氧化鋁粉末良好的流動(dòng)性和分散性。與形狀不規(guī)則的氧化鋁粉末如片狀、針狀和塊狀粉末相比，球形顆粒之間的摩擦更小，且更容易均勻分布在基體材料中，從而減少聚集的發(fā)生。這種均勻分布的特性確保了復(fù)合材料中熱導(dǎo)率網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性和一致性，避免了局部顆粒聚集引起的熱導(dǎo)率波動(dòng)。

良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫耐受性。球形氧化鋁填料具有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，且不易與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在酸堿性環(huán)境、潮濕環(huán)境或長(zhǎng)期使用下，其物理和化學(xué)性能保持穩(wěn)定，不會(huì)因腐蝕、氧化及其他因素而降解，從而確保熱導(dǎo)材料的長(zhǎng)期可靠性。同時(shí)，它具有卓越的耐高溫能力，能夠在高溫環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)完整性和熱導(dǎo)率不變。

02 制備工藝：從“粉末”到“球形”的精準(zhǔn)塑造

球形氧化鋁的優(yōu)異性能源于其精準(zhǔn)的球形結(jié)構(gòu)和可控的粒徑分布，而這背后離不開成熟的制備工藝。目前，制備球形氧化鋁粉體的方法主要包括：火焰熔融法、噴射法、模板法、氣溶膠分解法、溶膠-凝膠法、水熱法、滴球法、球磨法。

（1）噴射法

噴射法制備球形氧化鋁采用高溫?zé)嵩磳?duì)前驅(qū)體進(jìn)行熱處理，再利用表面張力使產(chǎn)品球形化。噴射法分為噴霧熱解法、噴霧干燥法和噴射熔融法。其中噴射熔融法是利用射頻感應(yīng)等離子體，將固態(tài)氧化鋁處理為熔融狀態(tài)，再用噴射高速冷卻得到球形氧化鋁的方法。該方法主要對(duì)不規(guī)則形狀氧化鋁顆粒進(jìn)行球化處理，處理后氧化鋁球形度高，但難以控制粒徑的尺度，粒徑在納米級(jí)到微米級(jí)不等。

等感應(yīng)離子體裝置示意圖

（2）火焰熔融法

目前市場(chǎng)上常用火焰熔融法來制備球形氧化鋁。跟名字相近的“噴射熔融法”相比，火焰熔融法是直接將形貌不規(guī)則的氧化鋁粉噴入火焰中，使氧化鋁粉在火焰中熔化而成球，工藝簡(jiǎn)單，在成本控制上比使用等離子火焰的噴射法更具優(yōu)勢(shì)，球化出的產(chǎn)品導(dǎo)熱率高，球形度好，粒度可控。

（3）模板法

模板法制備球形氧化鋁首先需要核模板，在核模板外包裹一層殼結(jié)構(gòu)微球，再通過物理化學(xué)的方法去除掉核模板，最終獲得空心微球。根據(jù)模板自身的特點(diǎn)和局限性，一般分為硬模板法和軟模板法。

（4）氣溶膠分解法

氣溶膠分解法制備氧化鋁球主要是以液態(tài)的醇鋁鹽為原料，利用高溫?zé)崴庀葘⒋间X鹽氣化，后續(xù)采用干燥或高溫處理，最終形成球形氧化鋁粉體。該方法制備的顆粒粒徑處于納米級(jí)，目前還沒有工業(yè)化應(yīng)用。

氣溶膠分解法流程簡(jiǎn)圖

（5）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以無機(jī)鹽水解或聚合形成前驅(qū)體，經(jīng)過醇洗、陳化和熱處理得到氧化鋁粉。由于該方法采用有機(jī)溶劑與表面活性劑，得到的氧化鋁粉體的球形度接近100%，粒徑均在微米或毫米級(jí)。該方法缺點(diǎn)是不利于氧化鋁粉體的分離和干燥。

（6）水熱法

水熱法制備球形氧化鋁是以鋁鹽為原料，在高溫高壓的反應(yīng)環(huán)境中使物質(zhì)溶解、重結(jié)晶后生長(zhǎng)為球形氧化鋁顆粒。水熱法所制得的氧化鋁粉體純度高、形狀可控、無團(tuán)聚，但需要高溫高壓環(huán)境，對(duì)設(shè)備的依賴性較高。

（7）滴球法

滴球法制備球形氧化鋁第一步是制備氧化鋁純?nèi)苣z，從酸性氧化鋁純?nèi)苣z開始將氧化鋁溶膠滴入到油層中，膠凝劑為HMTA（六亞甲基四胺）或尿素和HMTA的混合物，之后經(jīng)過老化、干燥、煅燒形成球形氧化鋁。滴球法主要用來制備毫米級(jí)及以上粒徑的球形氧化鋁，操作過程中需要使用熱油且必須保持溶膠長(zhǎng)時(shí)間滴落。

（8）球磨法

球磨法是將原料放入球磨機(jī)中，原料被研磨劑研磨和攪拌，大顆粒被提煉成超細(xì)粉末。機(jī)械球磨可用于制備不同粒徑的球形氧化鋁產(chǎn)品。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，易于進(jìn)行批量生產(chǎn)，在未來市場(chǎng)中很有發(fā)展前景。

03 新能源汽車滲透率攀升，球形氧化鋁需求增大

在世界汽車電動(dòng)化的浪潮下，國(guó)內(nèi)外主流車企紛紛加大新能源汽車戰(zhàn)略布局，新能源汽車進(jìn)入市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的高速成長(zhǎng)期。我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)保持快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。新能源汽車電池、電控、電機(jī)均采用導(dǎo)熱材料及導(dǎo)熱膠等熱界面材料，有望帶動(dòng)球形氧化鋁填充料需求。

電控：為減少熱源和水路的熱阻，提高模組的導(dǎo)熱效率，通常需要在IGBT模組與冷片之間的剛性界面涂抹導(dǎo)熱硅脂。有了導(dǎo)熱界面材料（導(dǎo)熱硅脂等）的填充，發(fā)熱源和散熱器間的接觸面將充分接觸，可大幅度降低界面熱阻，顯著提高散熱效果，減少電氣損失。

電機(jī)：在驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)，定子用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁性，通常采用高導(dǎo)熱膠對(duì)定子進(jìn)行整體灌封，可減小繞組與定子鐵心之間的熱阻，提高絕緣系統(tǒng)的導(dǎo)熱性，電機(jī)溫升可降低約10-18℃，提高了電機(jī)安全運(yùn)行的可靠性。

動(dòng)力電池領(lǐng)域：動(dòng)力電池作為新能源汽車的“心臟”，其熱監(jiān)控和熱管理直接關(guān)系到整車的使用性能，對(duì)整車的安全運(yùn)行意義重大。用于動(dòng)力電池的導(dǎo)熱填料如氫氧化鋁、角型氧化鋁、球形氧化鋁均能滿足使用需求，考慮到動(dòng)力電池廠商對(duì)安全性管控的重視程度以及電池模組結(jié)構(gòu)和散熱方式的差異，目前主要應(yīng)用的導(dǎo)熱填料為球形氧化鋁，充當(dāng)導(dǎo)熱和阻燃作用。

04 小結(jié)

作為導(dǎo)熱填料領(lǐng)域的核心材料，球形氧化鋁憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)、優(yōu)異的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，在高端產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著制備工藝的不斷優(yōu)化和功能化技術(shù)的持續(xù)突破，球形氧化鋁必將在更?闊的領(lǐng)域展現(xiàn)其價(jià)值，為熱管理技術(shù)的升級(jí)提供堅(jiān)實(shí)的材料支撐。

參考來源：

[1]張銀虎等：球形氧化鋁的制備方法及研究進(jìn)展

[2]高正源等：氧化鋁填充導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備和性能研究進(jìn)展

[3]粉體網(wǎng)：一輛車需要10公斤，算下來，這個(gè)不起眼的“小球”市場(chǎng)有多大?