燃尽物法制备氧化铝隔热耐火材料孔结构与性能相关性研究

摘要

工业窑炉的隔热保温性能对节能和环保起到重要的作用。氧化铝隔热材料由于强度高、使用温度高、热机械性能优异等特点，是目前用于高温窑炉炉衬性能最优良的隔热保温材料。目前氧化铝隔热材料主要为氧化铝空心球制品，该材料往往是通过电熔法先制备出空心球制备，存在耗能高、体积密度和热导率偏大等缺点。相比之下，烧结法制备的隔热材料能耗明显低于该方法，因此采用烧结法制备氧化铝隔热材料的研究显得十分重要。影响该类氧化铝隔热材料众多因素中，孔结构对材料的性能的影响最为显著。但是，通过优化孔结构参数（气孔率、孔径大小、孔径分布、孔形状等），来降低氧化铝隔热材料的热导率并提高其力学性能和抗热震性能的研究却鲜有报道。
　　针对上述问题，本文的具体研究内容包括:首先研究了稻壳、锯末、淀粉和炭黑等造孔剂对氧化铝隔热材料的热导率、力学性能和抗热震性的影响，并采用MIAPS软件（图像法）分析了材料的孔结构。在此基础上，采用灰色关联和组织学理论揭示了孔结构对材料热导率的作用机理;而后利用分形理论探明了气孔的孔结构参数对材料力学性能的影响;最后借助断裂力学，计算了氧化铝隔热材料的抗热震参数，揭示了材料的抗热震机理;以上研究为进一步开发低导热、高强度和抗热震性能优异的氧化铝隔热材料提供比较和参考;在此基础上，利用铝溶胶浸渍修饰制备了综合性能优于氧化铝空心球砖的氧化铝隔热材料。通过对所制备材料的热导率、力学性能、抗热震性及孔结构的研究分析，可以得到如下结论:
　　1.采用稻壳、锯末作为造孔剂，制备了氧化铝隔热材料，并借助MIAPS图像分析软件对材料的孔结构参数进行了表征。发现MIAPS软件可以对隔热材料的孔径分布、平均孔径等孔结构参数进行有效评价。随着造孔剂添加量的增大，试样的气孔率、平均孔径随之增大并且热导率逐渐下降。但是，该类造孔剂烧失后留下的狭缝形气孔容易导致应力集中，并且烧失后残留的Na2O和K2O等杂质会导致隔热材料力学性能以及荷重软化温度显著下降。此外，为了提高隔热材料力学性能，采用铝溶胶真空浸渍修饰孔形，发现试样的狭缝形气孔向类球形过渡的同时平均孔径显著降低，其力学性能也相应得到提高。
　　2.为进一步优化氧化铝隔热材料的综合性能，采用球形度较高且无杂质的淀粉和炭黑作为造孔剂，制备了孔形为球形或者类球形的氧化铝隔热材料。结果表明，将粒径为微米级的造孔剂淀粉引入到氧化铝隔热材料中，尽管气孔形状的优化降低了材料的热导率，但是较大的孔径导致材料力学性能以及抗热震性能较差。与其他造孔剂相比，当引入纳米级造孔剂炭黑后，烧成后试样的孔径最小，并且展现出最低的热导率、最为优异的力学性能以及抗热震性。
　　3.借助分形理论、灰色关联理论和组织学理论对氧化铝隔热材料孔结构参数与导热性能、力学性能和抗热震性的相关性进行了分析。结果表明，材料中的热导率主要受到孔径＜2μm的气孔影响;材料的力学性能受到气孔率和孔形的影响，气孔率的降低，气孔球形度的提高且呈均匀分布时，材料的力学性能可得到显著改善;材料的抗热震性主要受到平均孔径、分形维数和孔径区间的影响，其中平均孔径的影响最为显著。
　　4.根据上述分析结果，将以复合炭黑为造孔剂的试样轻烧后再浸渍铝溶胶，并再次二次烧结，制备了球形度高、平均孔径小和分形维数低的氧化铝隔热材料，并与氧化铝空心球砖进行对比，发现采用5wt％固含量的铝溶胶浸渍氧化铝隔热材料，材料的热导率显著低于氧化铝空心球砖，并且材料强度和抗热震性与氧化铝空心球砖性能相当。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 前言

1．2 多孔材料的概述

1．2．1 多孔材料的分类

1．2．2 多孔材料的制备方法

1．2．3 多孔材料的应用现状

1．3 多孔隔热材料的概述

1．3．1 多孔材料的隔热机理

1．3．2 国内外隔热材料的研究现状

1．4 氧化铝隔热材料研究现状

1．4．1 氧化铝隔热材料孔结构的表征研究现状

1．4．2 氧化铝隔热材料孔结构与性能关系研究现状

1．4．3 氧化铝隔热材料孔结构调控现状

1．5 分形理论在耐火材料中的应用研究

1．5．1 分形理论简介

1．5．2 分形理论在耐火材料中的应用现状

1．6 本课题的提出及研究内容

第2章 以稻壳为造孔剂氧化铝隔热材料制备及性能研究

2．1 实验

2．1．1 原料

2．1．2 实验方案与过程

2．1．3 结构与性能表征

2．2 结果与讨论

2．2．1 常温物理性能

2．2．2 热导率

2．2．3 高温力学性能

2．2．4 抗热震性

2．2．5 孔结构

2．2．6 物相组成与显微结构

2．3 小结

第3章 以锯末为造孔剂氧化铝隔热材料制备及性能研究

3．1 实验

3．1．1 原料

3．1．2 实验方案与过程

3．1．3 结构与性能表征

3．2 结果与讨论

3．2．1 添加锯末氧化铝隔热材料的微结构与性能

3．2．2 添加纯化锯末氧化铝隔热材料的微结构与性能

3．2．3 铝溶胶浸溃氧化铝隔热材料的微结构与性能

3．3 小结

第4章 以淀粉为造孔剂氧化铝隔热材料制备及性能研究

4．1 实验

4．1．1 原料

4．1．2 实验方案与过程

4．1．3 结构与性能表征

4．2 结果与讨论

4．2．1 添加淀粉氧化铝隔热材料的结构与性能

4．2．2 分散剂对氧化铝隔热材料的结构与性能的影响

4．3 小结

第5章 以纳米炭黑为造孔剂氧化铝隔热材料制备及性能研究

5．1 实验

5．1．1 原料

5．1．2 实验方案及过程

5．1．3 结构与性能表征

5．2 结果与讨论

5．2．1 添加不同含量炭黑的氧化铝隔热材料的制备

5．2．2 炭黑种类对氧化铝隔热材料性能的影响

5．2．3 烧成温度对氧化铝隔热材料性能的影响

5．2．4 结合剂的种类对氧化铝多孔隔热材料性能的影响

5．3 本章小结

第6章 氧化铝隔热材料孔结构与其导热、力学和抗热震性相关性研究

6．1 利用分形理论分析材料的孔结构

6．1．1 分形维数的计算方法

6．1．2 图像分析软件获取气孔轮廓线分形维数

6．1．3 结果与讨论

6．2 利用灰色系统理论分析孔结构对导热性能影响

6．2．1 灰色系统理论

6．2．2 灰色关联计算过程

6．2．3 结果与讨论

6．2．4 氧化铝隔热材料气孔组织与导热性能关系模型

6．3 氧化铝隔热材料孔结构与力学性能关系

6．4 氧化铝隔热材料孔结构与抗热震性能关系

6．4．1 抗热震参数的计算

6．4．2 孔结构参数与氧化铝隔热材料抗热震参数的相关性研究

6．5 小结

第7章 制备的氧化铝隔热材料与氧化铝空心球砖比较

7．1 实验

7．1．1 原料

7．1．2 实验过程和方案

7．1．2 结构与性能表征

7．2 结果与讨论

7．2．1 铝溶胶浸渍氧化铝隔热材料的微结构与性能

7．2．2 制备的氧化铝隔热材料与氧化铝空心球对比

7．3 小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．2 后期工作展望

致谢

参考文献

本论文的创新点

附录1 攻读博士学位期间取得的科研成果

附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目