刚玉-莫来石层状复合材料的设计与性能研究

摘要

刚玉-莫来石复合材料具有良好的化学稳定性、高温强度以及良好的热震稳定性，常被应用于炉衬、窑具等耐火材料。但目前国内刚玉-莫来石窑具产品仍存在热震稳定性差，使用寿命低等问题。由于层状叠层能通过层间协同效应有效提高陶瓷材料的断裂韧性，本论文以高纯刚玉、莫来石以及活性氧化铝微粉和硅微粉为原料，通过宏观结构叠层与界面特征调控，结合有限元模拟分析制备了刚玉-莫来石层状复合材料，并重点考察了宏观结构叠层与热震稳定性的关系。主要结果包括： （1）单层刚玉-莫来石复合材料的制备及性能研究。烧结温度（1350℃、1450℃、1550℃和1650℃）、基质含量（30%、40%、50%和60%）以及添加剂（AlF3·3H2O和Al(OH)3）对刚玉-莫来石复合材料性能均有较大影响。经1550℃煅烧3h所得基质含量为40%的刚玉-莫来石复合材料的常温抗折强度和残余抗折强度保持率分别达到7.58MPa和89.08%。而且，加入3%AlF3·3H2O和5%Al(OH)3复合添加剂可促使原位生成长径比达30～50的针状莫来石晶须，针状莫来石晶须的存在有利于降低应力集中，阻止或延缓微裂纹的扩展，进一步提高刚玉-莫来石复合材料的强度和热震稳定性，试样的常温抗折强度和残余抗折强度保持率分别提高到14.66MPa和83.5％。 （2）通过冷压叠层技术制备了刚玉-莫来石层状复合材料，并探究了不同界面添加剂（AlF3·3H2O、V2O5、TiO2和ZrO2）对刚玉-莫来石层状复合材料性能的影响。经1550℃煅烧3h所得外层基质含量30%和内层基质含量40%的七层刚玉-莫来石复合材料的常温抗折强度与残余抗折强度保持率分别为6.45MPa和95.52%。向界面处分别引入AlF3·3H2O、TiO2、V2O5和ZrO2界面添加剂时，V2O5的引入最有利于改善七层刚玉-莫来石层状复合材料的力学性能和热震稳定性，试样的常温抗折强度和残余抗折强度保持率分别提高到10.10MPa和95.57%。 （3）轻质刚玉-莫来石层状复合材料的制备及性能研究。经1550℃煅烧3h所得含5%氧化铝空心球的试样（A5）具有较高的热震稳定性，其残余抗折强度与残余抗折强度保持率分别为8.13MPa和98.4%。通过ANSYS有限元模拟对均一试样（A5与A60）和三层试样（A60@A5@A60）的温度-应力场进行分析，发现内层厚度为17mm的A60@A5@A60层状试样在Z轴方向上的最大应力最小；相应地，经1550℃煅烧3h制备的内层厚度为14mm的A60@A5@A60层状复合材料的强度较低，弹性模量较高，试样具有较好的热震稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 刚玉-莫来石概述

1.3 刚玉-莫来石复合材料的研究现状

1.3.1 原料及颗粒级配的影响

1.3.2 基质相与基质含量的影响

1.3.3 成型方式与成型压力的影响

1.3.4 烧成制度的影响

1.3.5 添加剂的影响

1.4 层状复合材料的研究现状

1.4.1 层状陶瓷材料的研究现状

1.4.2 层状耐火材料的研究现状

1.5 ANSYS有限元模拟分析在耐火材料中的应用

1.6 耐火材料热震稳定性的改善措施

1.7 选题意义、主要研究内容以及创新点

1.7.1 选题意义

1.7.2 主要研究内容

1.7.3 本文创新点

2 实验

2.1 实验原料

2.2 实验仪器

2.3 实验方案

2.3.1 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.2 基质含量对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.3 添加剂对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.4 热膨胀差异对三层等厚刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.5 界面添加剂对七层等厚刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.6 氧化铝空心球含量对轻质刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.3.7 不同内层厚度的三层非等厚刚玉-莫来石复合材料的设计及有限元分析

2.3.8 内层厚度对三层轻质刚玉-莫来石复合材料性能的影响

2.4 试样制备

2.4.1 刚玉-莫来石复合材料的制备

2.4.2 刚玉-莫来石层状复合材料的制备

2.4.3 轻质刚玉-莫来石复合材料的制备

2.5 材料表征与测试

2.5.1 显气孔率和体积密度

2.5.2 常温抗折强度

2.5.3 载荷-位移曲线的测试

2.5.4 弹性模量

2.5.5 热导率

2.5.6 热膨胀系数

2.5.7 热震稳定性的评测

2.5.8 物相分析

2.5.9 显微结构分析

2.5.10 比热容

2.5.11 高温抗折强度

2.5.12 综合热分析

3 刚玉-莫来石复合材料的制备及性能研究

3.1 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

3.1.1 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料物相组成的影响

3.1.2 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料显微结构的影响

3.1.3 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

3.1.4 烧成温度对刚玉-莫来石复合材料热震稳定性的影响

3.2 基质含量对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

3.2.1 基质含量对刚玉-莫来石复合材料线变化率的影响

3.2.2 基质含量对刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

3.2.3 40%基质含量的刚玉-莫来石复合材料的显微结构

3.2.4 基质含量对刚玉-莫来石复合材料热震稳定性的影响

3.3 添加剂对刚玉-莫来石复合材料性能的影响

3.3.1 添加剂对刚玉-莫来石复合材料线变化率的影响

3.3.2 添加剂对刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

3.3.3 添加剂对刚玉-莫来石试样物相组成的影响

3.3.4 添加剂对刚玉-莫来石试样显微结构的影响

3.3.5 添加剂对刚玉-莫来石试样烧结性能的影响

3.3.6 含不同添加剂试样的热化学分析

3.3.7 莫来石晶须形成的机理分析及其对热震稳定性的影响

3.4 本章小结

4 刚玉-莫来石层状复合材料的制备及性能研究

4.1 刚玉-莫来石层状复合材料制备及性能研究

4.1.1 三层刚玉-莫来石复合材料的线变化率

4.1.2 三层刚玉-莫来石复合材料的物理性能

4.1.3 三层刚玉-莫来石复合材料的显微结构

4.1.4 三层刚玉-莫来石复合材料的抗热震性能

4.1.5 三层刚玉-莫来石复合材料的残余应力分析

4.1.6 五层和七层刚玉-莫来石复合材料的烧结性能及残余应力分析

4.2 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料性能的影响

4.2.1 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料线变化率的影响

4.2.2 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

4.2.3 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料物相组成的影响

4.2.4 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料显微结构的影响

4.2.5 界面添加剂对七层刚玉-莫来石复合材料抗热震性的影响

4.3 本章小结

5 轻质刚玉-莫来石复合材料的制备及性能研究

5.1 氧化铝空心球含量对轻质刚玉-莫来石复合材料性能的影响

5.1.1 氧化铝空心球含量对刚玉-莫来石复合材料线变化率的影响

5.1.2 氧化铝空心球含量对刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

5.1.3 含5%和60%氧化铝空心球的刚玉-莫来石复合材料的显微结构

5.1.4 氧化铝空心球含量对刚玉-莫来石复合材料抗热震性的影响

5.2 刚玉-莫来石层状复合材料的设计与有限元模拟分析

5.2.1 刚玉-莫来石层状复合材料设计与有限元模拟分析

5.2.2 均一结构试样的热应力分析

5.2.3 三层等厚叠层结构试样的热应力分析

5.2.4 三层非等厚叠层结构设计与热应力分析

5.3 内层厚度对三层轻质刚玉-莫来石复合材料性能的影响

5.3.1 内层厚度对三层刚玉-莫来石复合材料线变化率的影响

5.3.2 内层厚度对三层刚玉-莫来石复合材料物理性能的影响

5.3.3 不同内层厚度的三层刚玉-莫来石复合材料的显微结构

5.3.4 内层厚度对三层刚玉-莫来石复合材料形变行为与断裂特征的影响

5.3.5 内层厚度对三层刚玉-莫来石复合材料抗热震性的影响

5.4 本章小结

6 结论

参考文献

附录A

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢