大單晶氧化鋁vs球形氧化鋁：在導熱應用上有什么區別？

氧化鋁是當今市場上用量最大的導熱填料之一，它價格較低，來源較廣，物理化學穩定性好，偶聯改性后填充份數高，是高導熱絕緣聚合物的經濟適用型填料，可廣泛應用于多種有機基體中，堪稱是導熱填料的主力大軍。據統計，目前國內導熱用氧化鋁產能兩萬噸左右，用量大于1.5萬噸每年，總產值4-5億元人民幣，發展速度迅猛。

氧化鋁粉體與導熱硅膠

雖說氧化鋁的產品種類繁多，但作為導熱填料使用時，最受關注的只有兩種，一是球形氧化鋁；二則是近年異軍突起的大單晶氧化鋁。以下是對這兩種氧化鋁填料的簡單介紹：

① 球形氧化鋁

球形氧化鋁具有規則的形貌，較小的比表面積，較好的流動性，用于絕緣導熱材料時填充量大，具有較高的性價比，是目前導熱絕緣硅膠材料中的主要導熱絕緣填料。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，流動性良好。

火焰熔融法球形氧化鋁生產示意圖


② 大單晶氧化鋁

單晶氧化鋁粉體是由氫氧化鋁或者工業氧化鋁添加特殊礦化劑，置于高溫爐中高溫煅燒相轉化，冷卻后球磨，達到一定粒度后經表面處理、水洗、分級烘干后得到的白色粉末結晶體。其填充性、穩定性、流動性、吸油值等表現都極佳。

在粉體圈以前的文章中，我們雖有分別對球形氧化鋁和大單晶氧化鋁進行介紹，卻從未直接比較過兩者的導熱性能差異。恰逢孫志昂教授到訪粉體圈，小編趁此機會特地向他請教了這個問題，到底這兩者在導熱應用上有什么區別。

01一致的地方

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

這樣看起來是不是無論用球鋁還是大單晶氧化鋁都無甚區別？Nonono，接著往下看。

02應用上的區別

雖然理論上看起來差不多，但實際用起來時，兩者的差異性就很明顯了。

①首先是填充量的區別。球形氧化鋁它的比表面比較小，球形度高，粘度非常小，因此往導熱硅膠里加的時候特別好加。同時，球形氧化鋁的篩分以及級配都已有很多經驗，因此在應用上門檻較低。

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

圖片來源：長興實業

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——即便是業內做得比較好的河南長興實業有限公司，20μm級別的球形度也只能做到85%-88%。因此在填充時的大單晶氧化鋁的添加量無可避免比較小。而且也因為形狀不夠圓的關系，大單晶氧化鋁的級配要求更嚴格，需要進行大量的試驗，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）

圖片來源：長興實業

②其次是顯微結構的對比。球形氧化鋁的顯微結構中含有少量的氣孔和微裂紋，因此它本身的熱導率是不如大單晶氧化鋁的。在實際應用中，球鋁實際上是通過較大的填充量來達到提高復合材料的熱導率的目的。與之相比，大單晶氧化鋁的形貌規整，粒度方面業內也已能做到20~40μm，在導熱性能上有明顯優勢。

70μm球形氧化鋁放大1000倍后能清晰看到氣孔和裂縫

（圖片來源：長興實業）

③接著是α相含量的區別。無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，性質就越穩定，致密度也越高。在這點上，球形氧化鋁有個致命缺陷，它的α相只有百分之八十幾，導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），同時化學純度不夠。

化學純度不足的原因是因為球鋁是用α氧化鋁熔融形成的，在急速快冷的過程中轉化形成一部分γ相氧化鋁——孫志昂教授提到，雖然理論上形成α-Al2O3的過程是不可逆的，但不知為何在球鋁實際生產中就是出現了α含量低、真密度小的問題。實際上早在1966年上硅所楊國慶，嚴東升等論文中就提出α氧化鋁高溫急冷中生成了介穩定的γ氧化鋁和δ氧化鋁（希望有興趣者進一步研究解決此問題以提高球鋁的α相含量），上述介穩定的氧化鋁在一定溫度條件下可與導熱材料發生反應，最終可能會加速出現老化等一系列問題。

α-氧化鋁晶體結構

而大單晶氧化鋁就不會出現以上問題。所以在一些高端的場合，比如說日本那邊，就常用球形度較高的大單晶氧化鋁作填料使用。

④最后是生產難度的區別。球形氧化鋁的生產及應用工藝已經十分成熟，而與之相比，大單晶氧化鋁在導熱市場的應用還比較少，究其原因就在于球形化加工生產難度太大成本較高。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微米的售價在30-50萬/噸。那么國內能不能做呢？——很可惜，由于單晶氧化鋁的硬度太高，目前國內仍缺乏相關的球形化技術和設備。如果使用現有的設備，暫時來講它對設備的磨損度是無法接受的，因此要發展類球形大單晶氧化鋁在導熱領域的應用，更有效的球形化設備的研發是必須的。

03總結

用大白話講就是，大單晶氧化鋁的導熱潛力要比球形氧化鋁要高，但要用好它，難度也比球鋁大，關鍵點就在于“球形化”這臨門一腳。

文章轉載粉體圈