Effect of pore size and porosity on the thermal conductivity of alumina and zirconia-toughened alumina porous structures

In this study, porous alumina (Al2O3) and zirconia-toughened alumina (ZTA) structures were fabricated with pore sizes of 10, 20, and 40 mu m and varying porosity levels using the space-holder method. Understanding thermal conductivity in porous ceramics is critical for thermal insulation, energy storage, and high-temperature systems applications. Thermal conductivity was measured using the transient plane source (TPS) method, and the results showed that increasing the volume percentage (vol.-%) of polystyrene beads (PB) raised porosity while reducing thermal conductivity. Larger PB sizes (40 mu m) yielded higher porosity (69.5% for Al2O3 and 69% for ZTA) and lower thermal conductivity (0.23 W/mK for Al2O3 and 0.28 W/mK for ZTA) compared to smaller PB sizes (10, 20 mu m). At lower PB volumes, smaller PB sizes (10 mu m) exhibited higher thermal conductivity, with values of 0.483 W/mK for Al2O3 and 0.412 W/mK for ZTA. ZTA porous samples exhibited superior insulation performance over Al2O3 porous samples due to phonon scattering from oxygen vacancies, making it more effective for thermal management. This study demonstrates the importance of optimising pore size and porosity to enhance the thermal performance of porous ceramics, demonstrating the direct impact of fabrication methods on material properties. Dans cette & eacute;tude, on a fabriqu & eacute; des structures poreuses en alumine (Al2O3) et en alumine renforc & eacute;e de zircone (ZTA) avec des tailles de pores de 10, 20 et 40 mu m et des niveaux de porosit & eacute; variables en utilisant la m & eacute;thode du d & eacute;tenteur d'espace. Comprendre la conductivit & eacute; thermique dans les c & eacute;ramiques poreuses est essentiel pour les applications d'isolation thermique, d'entreposage d'& eacute;nergie et de syst & egrave;mes & agrave; haute temp & eacute;rature. On a mesur & eacute; la conductivit & eacute; thermique & agrave; l'aide de la m & eacute;thode de source plane transitoire (TPS), et les r & eacute;sultats ont montr & eacute; que l'augmentation du pourcentage volumique (% en volume) des billes de polystyr & egrave;ne (PB) augmentait la porosit & eacute; tout en r & eacute;duisant la conductivit & eacute; thermique. Les plus grandes tailles de PB (40 mu m) ont produit une porosit & eacute; plus & eacute;lev & eacute;e (69.5% pour l'Al2O3 et 69% pour le ZTA) et une conductivit & eacute; thermique plus faible (0.23 W/mK pour l'Al2O3 et 0.28 W/mK pour le ZTA) par rapport aux tailles de PB plus petites (10 mu m, 20 mu m). & Agrave; des volumes de PB inf & eacute;rieurs, les plus petites tailles de PB (10 mu m) exhibaient une conductivit & eacute; thermique plus & eacute;lev & eacute;e, avec des valeurs de 0.483 W/mK pour l'Al2O3 et de 0.412 W/mK pour le ZTA. Les & eacute;chantillons poreux de ZTA exhibaient des performances d'isolation sup & eacute;rieures & agrave; celles des & eacute;chantillons poreux d'Al2O3 en raison de la diffusion des phonons provenant des lacunes en oxyg & egrave;ne, le rendant plus efficace pour la gestion thermique. Cette & eacute;tude d & eacute;montre l'importance de l'optimisation de la taille de pore et de la porosit & eacute; pour am & eacute;liorer les performances thermiques des c & eacute;ramiques poreuses, d & eacute;montrant l'impact direct des m & eacute;thodes de fabrication sur les propri & eacute;t & eacute;s des mat & eacute;riaux.