粉煤灰低温烧成多孔材料及孔结构的调控机制

摘要

气孔形貌及孔径分布对多孔材料的力学性能、保温隔热及吸声等性能具有重要影响。本文以粉煤灰为主要原料，利用Na2CO3和SiO2反应产生CO2作为发泡气体来源，采用低温发泡法制备Na2O-CaO-SiO2-B2O3-F（NCSBF）系多孔材料。首先从气体生成和逸散两个角度出发，研究了该体系多孔材料的孔隙内部气体量的调控过程；创新地提出了对气孔的形成过程进行控制，分别研究了SiC和Si颗粒对多孔材料气孔结构的调控机制。
　　对孔隙内部气体量的研究表明：Na2CO3与SiO2反应生成Na2SiO3的表观反应活化能和指前因子分别为208kJ/mol和1.96×108min-1，配合料中失重反应的表观反应活化能和指前因子分别为86kJ/mol和6.47×103min-1，配合料内其它成分如CaO、B2O3等有助于降低Na2CO3与SiO2反应的表观反应活化能和指前因子；NCSBF系多孔材料在850℃保温条件下的气体逸散过程微弱，通过提高升温速率有助于减少物料熔融前的气体损失，即促进多孔材料的体积密度降低，当升温速率由5℃/min提高至20℃/min时，多孔材料的体积密度由0.72g/cm3降至0.66g/cm3。
　　对SiC的作用机制研究表明：NCSBF系多孔材料熔体内SiC粒径随氧化时间而减小，当SiC加入量为3％，氧化时间为4h，SiC平均粒径由195μm减小至150.7μm，之后粒径保持不变；当SiC粒径为198μm时，气孔多分布于SiC颗粒边缘，SiC具有促进气泡形核作用，且其非均相形核数量随着颗粒粒径的减小而逐渐减弱，粒径为600目时其形核效果基本消失；SiC的加入造成气孔孔壁破坏而相互连通，促进多孔材料内部气孔聚并区域的增加，当SiC含量为5%时，此时内部气孔的聚并程度最为严重，在随机剖面中连通区域面积占剖面面积的20%。
　　对Si颗粒的作用机制研究表明：NCSBF系熔体内Si颗粒尺寸随氧化时间的变化不显著；当Si颗粒粒径为198μm时，气孔多分布于Si颗粒边缘，Si颗粒具有促进气泡形核的效果，且其非均相形核数量随着颗粒粒径的减小而逐渐减弱，粒径为10μm时其形核效果基本消失；当Si颗粒粒径小于25μm时，随着粒径的减小多孔材料的体积密度也随之减小；Si颗粒的加入有助于提高多孔材料的孔壁致密度，但当Si颗粒的加入量达到9%时，多孔材料内部出现收缩裂缝。当Si颗粒的加入量小于9%时，随着其加入量的增加，多孔材料的体积密度不断增大，平均孔径逐渐减小，气孔的孔径分布范围缩小。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 多孔材料简介

1.3 多孔材料的气孔形态与分布概述

1.4 本论文的研究目的与意义

1.5 本论文的研究内容及技术路线

二 实验设计及性能测试

2.1 实验原料

2.2 实验仪器与设备

2.3 多孔材料的制备

2.4 性能测试方法

第三章 多孔材料的制备及其气孔内气体量的研究

3.1 前言

3.2 多孔材料的气体生成过程

3.2 多孔材料的气体逸散过程

3.3 多孔材料内部气体量的调控

3.4 本章小结

第四章 SiC对多孔材料气孔形貌与孔径分布的调控

4.1 前言

4.2 多孔材料中SiC的氧化行为研究

4.3 SiC对多孔材料非均相形核的影响

4.4 SiC对多孔材料气孔形貌与孔径分布的影响

4.5 本章小结

第五章 Si对多孔材料气孔形貌和孔径分布的调控

5.1 前言

5.2 Si颗粒的氧化行为研究

5.3 Si颗粒对多孔材料的形核作用研究

5.4 Si对多孔材料气孔形貌与孔径分布的调控研究

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢

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