多孔镁橄榄石轻量化材料的气孔特性与导热性能的相关性研究

摘要

镁橄榄石具有较低热导率，仅为方镁石的1/3-1/4，且高温下同大多数耐火材料的相容性好，因此镁橄榄石被看作一种有发展前景的高温隔热原料。本文采用熔盐介质作造孔剂进行镁橄榄石轻量化制备，针对“轻量化材料的导热系数和气孔特性之间的相关性”进行研究。
　　本研究以天然镁橄榄石为原料，采用熔盐介质法的NaCl为熔盐介质，加入量分别为0wt％、10wt％、20wt％、30wt％和40wt％，分别于1050℃、1100℃和1150℃制备具有不同气孔特性的镁橄榄石多孔材料。以灰色系统理论为基础，建立气孔结构特性参数（显气孔率、闭口气孔率、孔径分布、分形维数、平均孔径等）与导热系数和耐压强度之间的关联性。根据经典导热模型和复合传热理论分别建立符合多孔镁橄榄石材料的非线性导热模型和复合传热导热模型。利用ANSYS软件建立符合镁橄榄石气固相分布特性的有限元模型，计算了不同孔隙率下多孔镁橄榄石材料的导热系数。结果表明：不同NaCl熔盐含量和不同烧成温度处理的试样，以孔径r=4.70μm为界，具有双重分形特征。灰色关联理论分析表明：不同熔盐含量制备的多孔材料的导热系数与孔径范围0.47～4.70μm孔数量灰关联度最大，此范围内的孔径分布对试样导热系数的贡献最大。不同烧成温度试样的导热系数与气孔特性参数的关联度相对熔盐含量变化与其的相关性较低，其导热系数与孔径分布于大于47.00μm的区间灰关联度最大。耐压强度与试样的气孔率和小孔径分布数量关联度较大。根据经典导热模型和复合传热导热两种方法建立的计算多孔镁橄榄石导热系数的模型与实测的其导热系数比较吻合。基于镁橄榄石的固、气相分布特性进行的有限元模拟证实材料的导热系数随孔隙率的增加而降低，且模拟计算的导热系数值与实测值相差不大，证实模拟的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 研究背景及意义

1．2 导热系数的影响因素

1．2．1 导热机理简介

1．2．2 温度对材料导热系数的影响

1．2．3 气孔对材料导热系数的影响

1．2．4 影响导热系数的其它因素

1．3 多孔材料有效导热系数的研究进展

1．3．1 实验研究进展

1．3．2 理论研究进展

1．4 气孔特性与导热系数的相关性

1．4．1 气孔结构特性及其表征

1．4．2 灰色系统理论建立关联

1．5 研究思路及研究内容

2．1 试验原料

2．2 试样制备

2．3 试样表征

第3章 不同熔盐含量试样的气孔特性与导热系数的相关性

3．1 试样的物理性能和物相组成

3．2 多孔镁橄榄石的显微结构

3．3 多孔镁橄榄石的孔径分布及其分形维数

3．4 不同熔盐含量试样气孔特性与导热系数的灰色关联分析

3．5 不同熔盐含量试样气孔特性与耐压强度的灰色关联分析

3．6 本章小结

第4章 不同烧成温度试样的气孔特性与导热系数的相关性

4．1 试样的物理性能和物相组成

4．2 多孔镁橄榄石的显微结构

4．3 多孔镁橄榄石的孔径分布及其分形维数

4．4 不同烧成温度试样气孔特性与导热系数的灰色关联分析

4．5 不同烧成温度试样气孔特性与耐压强度的灰色关联分析

4．6 本章小结

第5章 多孔材料的导热模型

5．1 试样的气孔特征与微观形貌

5．2 导热系数与非线性导热模型

5．3 复合传热导热模型

5．4 有限元模拟计算导热系数

5．4．1 模型的建立

5．4．2 物理模型

5．4．3 数学模型

5．4．4 有限元模型

5．4．5 导热系数计算及其结果对比

5．5 本章小结

第6章 总结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及专利

攻读硕士学位期间参加的科研项目