高鋁多孔隔熱耐火材料的制備及熱導(dǎo)率研究

李亞雄，李享成，朱伯銓(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖北武漢430081)

高鋁多孔隔熱耐火材料的制備及熱導(dǎo)率研究

李亞雄，李享成，朱伯銓
(武漢科技大學(xué)耐火材料與高溫陶瓷國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，湖北武漢430081)

主要研究了一種高鋁多孔隔熱耐火材料的制備過程、顯微結(jié)構(gòu)特征、氣孔率、常溫強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)等性能。結(jié)果表明:隨著造孔劑的增加，材料氣孔率的增加，體積密度逐漸減小，材料的常溫抗折耐壓強(qiáng)度逐漸降低，熱導(dǎo)率減小。同時(shí)隨著溫度的升高，高鋁多孔隔熱耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)也隨之升高。高溫下閉口氣孔率從8.55%降低一半時(shí)，其熱導(dǎo)率降低近3倍，顯示高溫下閉口氣孔率對(duì)熱導(dǎo)率的影響更為顯著。

高鋁多孔隔熱耐火材料;導(dǎo)熱系數(shù);閉氣孔率

冶金、水泥、汽車、建材等制造業(yè)是我國支柱產(chǎn)業(yè)，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占重要地位。這些行業(yè)節(jié)能降耗水平，是建設(shè)成兩型社會(huì)和實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵。目前，這些工業(yè)都需使用多孔隔熱耐火材料，起到保溫隔熱的作用，實(shí)現(xiàn)高溫工業(yè)節(jié)能降耗［1～3］。多孔隔熱耐火材料的特征是氣孔率高，一般為40%—85%，具有熱導(dǎo)率低、耐火度高、高溫性能優(yōu)良(較好的高溫強(qiáng)度及熱震穩(wěn)定性)等特點(diǎn)，用作工業(yè)窯爐的隔熱材料，可以減少爐體的散熱損失，節(jié)約能源，并可以減輕熱工設(shè)備的重量，是高溫工業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的關(guān)鍵材料［1～3］。

本文研究了輕質(zhì)高鋁隔熱耐火材料的制備、物相組成及顯微結(jié)構(gòu)，并研究了強(qiáng)度及熱導(dǎo)率等性能。

一、實(shí)驗(yàn)過程

1.試樣制備

本次試驗(yàn)所使用的主要原料有:高鋁熟料(Al2O3: 48%—64%)，粘土(30%—35%)，莫來石，藍(lán)晶石，木屑(＜1mm)，松香皂泡沫劑，制備流程如圖1所示。

圖1 高鋁多孔隔熱耐火材料的制備流程

先按比例制備泡沫泥漿，其中熟料:粘土=6∶4。然后將松香(31%)，NaOH(6.1%)，水(62.9%)的混合物在70℃～90℃下加熱至全部皂化，再分別用鹽水和清水洗滌并澄清后用100目篩過篩，同時(shí)加入木膠作為泡沫固定劑，攪拌均勻后制備成一定容重的泡沫狀液體。然后將泥漿∶泡沫=1∶0.25～1.5的比例混合并攪拌均勻，得到泡沫泥漿。將制備好的泡沫泥漿注入金屬模中，注滿后用鋁板刮平，帶模生坯可先在低溫下干燥(40℃)24小時(shí)，然后脫模在進(jìn)行干燥(110℃)約2天。最后，制品在1300℃～1350℃的溫度下保溫4～6小時(shí)，得到高鋁多孔隔熱耐火材料制品。

2.檢測(cè)指標(biāo)及手段

通過X－射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡確定了試樣的顯微結(jié)構(gòu)，通過阿基米德法測(cè)定試樣的氣孔率，通過液壓機(jī)測(cè)定了試樣的強(qiáng)度，試樣的熱導(dǎo)率通過平板法測(cè)定。

二、結(jié)果與討論

1.高鋁多孔隔熱耐火材料的物相分析

在高鋁多孔耐火材料上取樣，制成細(xì)粉，進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 高鋁多孔隔熱耐火材料的XRD圖譜

從圖中看，試樣中的主要物相為莫來石相，同時(shí)含有一定的剛主相和石英相，而磷酸鈣相則由結(jié)合劑高溫演化而來。

為了進(jìn)一步分析試樣中存在的物相，對(duì)體積密度分別為0.8g/cm3，1.0 g/cm3，1.45 g/cm3的高鋁多孔耐火材料進(jìn)行偏光分析，觀察其顯微形態(tài)，在200倍下進(jìn)行觀察，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 A、B、C三試樣的光學(xué)顯微照片

從圖中可以看出，剛玉相的顆粒粒徑為50—100μm，莫來石的粒徑在10—120μm。試樣中，剛玉相C組最多，B組次之，A組最少。莫來石和剛玉都是高鋁礬土熟料和粘土在400℃—1200℃下反應(yīng)生成的。其反應(yīng)為:

2.高鋁多孔隔熱耐火材料的氣孔率、強(qiáng)度和熱導(dǎo)率分析

A，B，C三組試樣的顯氣孔率、體積密度、抗折強(qiáng)度和耐火強(qiáng)度如表1所示。

表1 高鋁多孔隔熱耐火材料的物理性能

由表可知試樣的顯氣孔率和閉口氣孔率都是隨體積密度的增加而減小的，而且兩者的變化是一致的。隨著氣孔率的升高，試樣的體積密度逐漸減小，致密度降低。氣孔率的大小與原料中所添加的燒失劑有關(guān)，燒失劑含量越大，所得制品的氣孔率就越大。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所用的泡沫發(fā)制備而成的輕質(zhì)高鋁磚，若想獲得較高的氣孔率，就必須加入足量的松香泡沫劑和鋸末［5］。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，隨著試樣的氣孔率升高，體積密度降低，其強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)闅饪撞粌H減小了試樣的負(fù)荷面積，并且在氣孔臨近的區(qū)域應(yīng)力集中，減少了材料的負(fù)荷能力。另外，氣孔可以看作是裂紋和缺陷，這些地方容易引起應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，裂紋開始擴(kuò)展而導(dǎo)致斷裂，因此強(qiáng)度隨氣孔率的升高而降低［6］。材料的斷裂強(qiáng)度與氣孔率的關(guān)系可由下式給出:

n為常數(shù)，一般為4－7;

σ0為沒有氣孔時(shí)的強(qiáng)度;

當(dāng)氣孔率約為10%時(shí)，強(qiáng)度將下降為沒有氣孔時(shí)強(qiáng)度的一半。因此對(duì)于輕質(zhì)耐火材料，由于氣孔率高，體積密度較低，晶體之間沒有形成致密的連接，相對(duì)于致密耐火材料，其耐壓強(qiáng)度低，耐磨性能差。

在輕質(zhì)材料的應(yīng)用過程中，熱量將通過傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流的方式在材料里傳遞。由于輕質(zhì)隔熱材料是由至少兩相——固體和氣孔里的氣孔組成，因此熱傳遞就在這些相里和相界面上進(jìn)行。本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用平板法測(cè)試A、B、C三組高鋁輕質(zhì)磚試樣的熱導(dǎo)率，如圖4所示。

圖4 試樣的導(dǎo)熱系數(shù)曲線

隨著溫度的升高，試樣A，B，C的導(dǎo)熱系數(shù)均增加，由于在溫度不太高的范圍內(nèi)，主要是聲子導(dǎo)熱，導(dǎo)熱率由下面公式給出:

其中c—聲子的體積熱容;

v—聲子的速度;

l—聲子的平均自由程。在溫度不太高時(shí)，聲子的平均自由程增大到晶粒的大小，l的值基本無變化，而聲子的熱容與溫度的三次方成正比，因此導(dǎo)熱系數(shù)λ也近似與溫度的三次方成正比，隨著溫度的升高，材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加［7］。

隨著氣孔率的增加，試樣的熱導(dǎo)率降低，其原因是空氣的導(dǎo)熱率要遠(yuǎn)小于固體材料，氣孔增多，加大了對(duì)熱量傳遞的阻礙，減小了熱導(dǎo)率。其中開口和閉口氣孔率與熱導(dǎo)率的關(guān)系，分別如圖4(a)和圖4(b)所示。從圖4可看出，熱導(dǎo)率從1.3W/(mK)降低到0.35W/(mK)時(shí)，熱導(dǎo)率降低了3倍多，而開口氣孔率則52.33%增加到63.96%，增幅僅為20%;但閉口氣孔率則增加了2倍多。從理論上講，高溫下對(duì)流傳熱的作用減小，而輻射傳熱能力增大，當(dāng)閉口氣孔增加時(shí)，減小了高溫輻射傳熱能力，從而急劇降低熱導(dǎo)率;開口氣孔率增加20%時(shí)，對(duì)流傳熱減小的程度較小，從而對(duì)熱導(dǎo)率的降低影響不大。

三、結(jié)論

(1)隨著多孔輕質(zhì)材料的氣孔率增加，材料的體積密度逐漸減小，材料的常溫抗折耐壓強(qiáng)度逐漸降低。

(2)多孔輕質(zhì)材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨材料的氣孔率的升高而顯著降低，隨著氣孔孔徑的減小而降低;高溫下閉氣孔率對(duì)熱導(dǎo)率的影響更為顯著。

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1006－5342(2012)08－0182－02