球形氧化鋁：導熱填料界的“硬核”擔當

隨著高導熱材料的需求日漸增加，填充型導熱聚合物復合材料具有良好的應用前景。導熱復合材料的性能很大程度上取決于導熱填料的選擇，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熱性能，是提高材料導熱性能的常用選擇。

我國擁有豐富的鋁土礦資源，是世界第一大氧化鋁生產國。Al2O3有α、γ、δ、η、θ、κ等很多種晶型結構，其中α型Al2O3最穩定，其晶格氧離子為六方密排結構，鋁離子對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、不規則多棱角、橢球狀等多種形態，不同的微觀結構對導熱材料性能影響很大。目前市場上用得較多的導熱填料主要是球形氧化鋁。

球形氧化鋁，圖源：蘭陵縣益新礦業科技有限公司

01 獨特優勢：球形結構賦予的“先天稟賦”

卓越的熱導率。氧化鋁是一種無機非金屬材料，具有優異的熱導率，其球形結構進一步優化了其熱導率路徑。在復合材料中，球形顆粒可以形成更連續、更平滑的導熱網絡，從而降低熱阻。當熱量在材料內部傳遞時，球形顆粒之間的接觸面積相對較大且分布更均勻，避免了形狀不規則且邊緣大或堆疊間隙導致的熱傳遞中斷，從而顯著提升了復合材料的整體熱導率。

出色的分散性。球形結構賦予氧化鋁粉末良好的流動性和分散性。與形狀不規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，從而減少聚集的發生。這種均勻分布的特性確保了復合材料中熱導率網絡的連續性和一致性，避免了局部顆粒聚集引起的熱導率波動。

良好的化學穩定性和高溫耐受性。球形氧化鋁填料具有極強的化學穩定性，且不易與周圍介質發生化學反應。在酸堿性環境、潮濕環境或長期使用下，其物理和化學性能保持穩定，不會因腐蝕、氧化及其他因素而降解，從而確保熱導材料的長期可靠性。同時，它具有卓越的耐高溫能力，能夠在高溫環境中保持結構完整性和熱導率不變。

02 制備工藝：從“粉末”到“球形”的精準塑造

球形氧化鋁的優異性能源于其精準的球形結構和可控的粒徑分布，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熱源對前驅體進行熱處理，再利用表面張力使產品球形化。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等離子體，將固態氧化鋁處理為熔融狀態，再用噴射高速冷卻得到球形氧化鋁的方法。該方法主要對不規則形狀氧化鋁顆粒進行球化處理，處理后氧化鋁球形度高，但難以控制粒徑的尺度，粒徑在納米級到微米級不等。

等感應離子體裝置示意圖

（2）火焰熔融法

目前市場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，工藝簡單，在成本控制上比使用等離子火焰的噴射法更具優勢，球化出的產品導熱率高，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構微球，再通過物理化學的方法去除掉核模板，最終獲得空心微球。根據模板自身的特點和局限性，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的醇鋁鹽為原料，利用高溫熱水解先將醇鋁鹽氣化，后續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，目前還沒有工業化應用。

氣溶膠分解法流程簡圖

（5）溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是以無機鹽水解或聚合形成前驅體，經過醇洗、陳化和熱處理得到氧化鋁粉。由于該方法采用有機溶劑與表面活性劑，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。該方法缺點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，在高溫高壓的反應環境中使物質溶解、重結晶后生長為球形氧化鋁顆粒。水熱法所制得的氧化鋁粉體純度高、形狀可控、無團聚，但需要高溫高壓環境，對設備的依賴性較高。

（7）滴球法

滴球法制備球形氧化鋁第一步是制備氧化鋁純溶膠，從酸性氧化鋁純溶膠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時間滴落。

（8）球磨法

球磨法是將原料放入球磨機中，原料被研磨劑研磨和攪拌，大顆粒被提煉成超細粉末。機械球磨可用于制備不同粒徑的球形氧化鋁產品。該方法設備簡單可靠，易于進行批量生產，在未來市場中很有發展前景。

03 新能源汽車滲透率攀升，球形氧化鋁需求增大

在世界汽車電動化的浪潮下，國內外主流車企紛紛加大新能源汽車戰略布局，新能源汽車進入市場驅動的高速成長期。我國新能源汽車市場保持快速發展的態勢。新能源汽車電池、電控、電機均采用導熱材料及導熱膠等熱界面材料，有望帶動球形氧化鋁填充料需求。

電控：為減少熱源和水路的熱阻，提高模組的導熱效率，通常需要在IGBT模組與冷片之間的剛性界面涂抹導熱硅脂。有了導熱界面材料（導熱硅脂等）的填充，發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：在驅動電機內，定子用于產生旋轉磁性，通常采用高導熱膠對定子進行整體灌封，可減小繞組與定子鐵心之間的熱阻，提高絕緣系統的導熱性，電機溫升可降低約10-18℃，提高了電機安全運行的可靠性。

動力電池領域：動力電池作為新能源汽車的“心臟”，其熱監控和熱管理直接關系到整車的使用性能，對整車的安全運行意義重大。用于動力電池的導熱填料如氫氧化鋁、角型氧化鋁、球形氧化鋁均能滿足使用需求，考慮到動力電池廠商對安全性管控的重視程度以及電池模組結構和散熱方式的差異，目前主要應用的導熱填料為球形氧化鋁，充當導熱和阻燃作用。

04 小結

作為導熱填料領域的核心材料，球形氧化鋁憑借其獨特的結構優勢、優異的性能和廣泛的應用場景，在高端產業發展中發揮著不可替代的作用。隨著制備工藝的不斷優化和功能化技術的持續突破，球形氧化鋁必將在更?闊的領域展現其價值，為熱管理技術的升級提供堅實的材料支撐。

參考來源：

[1]張銀虎等：球形氧化鋁的制備方法及研究進展

[2]高正源等：氧化鋁填充導熱復合材料的制備和性能研究進展

[3]粉體網：一輛車需要10公斤，算下來，這個不起眼的“小球”市場有多大?