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
本文选题:孔结构 切入点:热导率 出处:《武汉科技大学》2016年博士论文 论文类型:学位论文
【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。
[Abstract]:Industrial furnace insulation properties to the important role of energy saving and environmental protection. The alumina insulation material with high strength, high temperature, excellent thermal mechanical properties and other characteristics, is used for thermal insulation of high-temperature furnace lining insulation material is the most excellent performance. The alumina insulating material is mainly alumina hollow ball products, often through the material electric melting method to prepare hollow spheres prepared have high energy consumption, volume density and thermal conductivity of defects is too large. In contrast, insulation materials prepared by sintering energy consumption was significantly lower than that of the method, so the research on sintered alumina insulation system is very important. Many factors affect the alumina insulation materials in the influence of pore structure on the properties of materials is the most significant. However, through the optimization of pore structure parameters (porosity, pore size, pore size distribution, pore shape, etc.) to the reduction of oxygen The thermal conductivity of aluminum insulation rate and improving the research on the mechanical properties and thermal shock resistance are rarely reported. In view of the above problems, the main research contents of this paper include: firstly, sawdust, rice husk, starch, and carbon black pore conductance on alumina insulation materials, mechanical properties and thermal shock resistance. And using MIAPS software (image) analysis of the pore structure of the material. On this basis, the theory reveals the mechanism of pore structure on the thermal conductivity of the material by using the grey correlation and organization; then by using fractal theory proved the pore structure parameters of porosity influence on mechanical properties of the material; finally using the fracture mechanics parameters of alumina insulation the thermal shock resistance of materials was calculated, the mechanism of material thermal shock was revealed; above for further research and development of high strength and low thermal conductivity, excellent thermal shock resistance of alumina insulation materials provide a comparison And reference; on this basis, the alumina insulation performance is better than that of alumina bubble brick prepared by aluminum sol impregnation modification system. On the basis of the thermal conductivity of materials, mechanical properties, thermal shock resistance and analysis of pore structure, we can get the following conclusions: 1. by using the rice husk, sawdust as pore forming agent alumina, insulation materials were prepared, and characterized by MIAPS with image analysis software on the pore structure parameters of materials. The pore size distribution of MIAPS software can be found on insulation materials, effective evaluation of average pore size and pore structure parameters. With the increase of the amount of pore forming agent, sample porosity, average pore size increases and the thermal conductivity decreased gradually. However, this kind of slit shaped pore pore loss left after easily lead to stress concentration, and loss of residual Na2O and K2O impurities will cause insulation material mechanical properties And the load softening temperature decreased significantly. In addition, in order to improve the mechanical properties of insulation materials, using aluminum sol vacuum impregnation modified hole, slit shaped specimens and found that stomatal spherical transition to the average pore size decreased significantly, the mechanical properties were also improved.2. comprehensive performance to further optimize the alumina insulation materials, using starch and carbon black spherical and no impurities as pore forming agent, the preparation of the porous shape is spherical or spherical alumina insulating materials. The results showed that the particle size of micron pore starch into alumina insulation materials, although the optimal pore shape reducing thermal conductivity, but larger the aperture causes the material mechanical properties and thermal shock performance. Compared with other pore forming agent, when the introduction of nano pore carbon black after sintering the sample after the minimum aperture, and show The lowest thermal conductivity, the most excellent mechanical properties and thermal shock resistance of.3. based on fractal theory, grey relational theory and organization theory of alumina insulation materials pore structure parameters and thermal conductivity, the correlation between mechanical properties and thermal shock resistance were analyzed. The results show that the thermal conductivity of materials in rate is mainly affected by stomatal aperture effect 2 mu m; the mechanical properties of the material are influenced by porosity and pore shape, lower porosity, pore spherical degree is improved and a uniform distribution, the mechanical properties of the material can be improved; thermal shock resistance of the material is mainly affected by the influence of the fractal dimension and the average pore size, pore size interval, which affect the average the aperture of the most significant.4. according to the above analysis result, the composite carbon black as samples of pore forming agent after calcined alumina sol impregnation, and again two times sintering, preparation of high sphericity and average pore size and Alumina insulation low fractal dimension, and compared with the alumina hollow ball brick, found that the aluminum sol impregnation of alumina insulation material 5wt% solid content, the thermal conductivity of the composites was significantly lower than that of alumina hollow spherical brick, and the material strength and the thermal shock resistance of alumina brick and hollow ball performance.
【学位授予单位】:武汉科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TQ175.1
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,本文编号:1594912
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