纳米粒子对刚玉质浇注料气孔结构优化及性能的影响研究
发布时间：2021-11-01 07:35
耐火浇注料施工方便、使用环保且性价比高,在冶金、石油、玻璃、水泥等高温工业中应用广泛。气孔是浇注料基质的重要组成部分,它有助于避免裂纹的瞬时扩展,与浇注料的强度、热导率、抗热震性、抗侵蚀性等性能紧密相关。为此,本文利用纳米粒子对气孔的填充和细化作用,在浇注料中形成亚微米/纳米级气孔,探究其对浇注料显微结构及性能的影响机制。首先,本文以Al2O3-SiO2凝胶粉为添加剂探究了溶胶粒子对超低水泥结合浇注料显微结构与性能的影响。研究表明,浇注料的显气孔率随着Al2O3-SiO2凝胶粉的添加而逐渐升高;当添加6%Al2O3-SiO2凝胶粉时,浇注料具有最高的力学强度、断裂韧性以及优良的抗热震性,而高温抗折强度则无明显变化。在上述基础上,引入了一种新型Al2O3-SiO2凝胶粉,探究了其对浇注料气孔结构及性能的影响。研究表明,随着热处理...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
浇注料的XRD图谱
武汉科技大学硕士学位论文55图4.2经1500℃热处理后浇注料A、C和E的显微形貌Fig.4.2MicrostructureofcastablesA,CandEfiredat1500°CAl2O3与SiO2间的固相烧结反应是生成莫来石的常见方式之一，原料的种类、杂质含量以及粒径对莫来石的生成温度、生成速率及形貌均有重要影响[87-90]。本章中的Al源为α-Al2O3，Si源为纳米SiO2粉体。SiO2粉体为非晶态，粒径为15nm，因此SiO2的活性高，原子间的扩散距离减小，有利于提高Al2O3与SiO2间莫来石化的速率，降低莫来石的生成温度。尽管纳米SiO2粉体粒径较小，活性很高，但α-Al2O3粒径为微米级且是Al2O3中最稳定的一种类型，通过固相反应直接生成莫来石的速率较慢，故基质中莫来石的形成机制符合二维形核机制[91-92]。即纳米SiO2与α-Al2O3通过固相反应生成了少量初始莫来石，在原料中的Na2O和K2O等碱金属氧化物的影响下，未反应的纳米SiO2在高温下以富硅液相的形式存在于基质中，这些富硅液相能进一步扩散并填充到初始莫来石与Al2O3颗粒间的空隙中，增加SiO2与α-Al2O3间的接触面积，从而形成二次莫来石。由于初始莫来石与二次莫来石具有相似的晶体结构，二次莫来石将以异质形核的方式在初始莫来石的生长层或缺陷处形核，同时新形成的生长层将为莫来石的形成和生长提供理想场所，故二次莫来石沿着初始莫来石一层接一层生长直到所有层均被覆盖，导致莫来石的粗化，最终形成了柱状莫
武汉科技大学硕士学位论文57图4.3所示为经110°C×24h烘干后浇注料的孔径分布与气孔体积中位径。当不添加纳米SiO2时，浇注料的孔径分布呈现为双峰分布，其气孔孔径主要分布在1μm和8μm之间（图4.3（a））；添加1%纳米SiO2的浇注料的气孔孔径则主要分布在500nm和8μm之间；当纳米SiO2添加量为2%时，孔径分布曲线呈现为多峰分布，浇注料中不仅存在大量纳米孔(孔径约15nm)，还存在较多微米孔(孔径在2μm至5μm之间)。此外，当浇注料中纳米SiO2含量逐渐增加时，较小孔径峰值对应的孔径从约1μm减小到500nm最后达到15nm，而较大孔径峰值对应的孔径降低不多，仅由8μm减少到2-5μm。纳米SiO2在常温下的填充机制在于其会优先填充到浇注料基质中的微小气孔中（如图4.3（a）较小孔径峰值对应的气孔），细化孔径；而对骨料间堆积形成的孔径较大的气孔的填充则取决于其含量的高低，当其添加量较高时，浇注料基质中的微小气孔以及骨料间的较大气孔均能得到有效的填充。因此，纳米SiO2在常温下有助于细化微小气孔，也能填充一部分较大的气孔，从而减小样品的孔径。图4.3（b）中浇注料的气孔体积中位径由1.2μm减小到230nm进一步表明纳米SiO2在低温下具有填充和细化气孔的作用。图4.3经110°C烘干后浇注料的孔径分布与气孔体积中位径Fig.4.3Poresizedistributionandporemediandiameterofcastablesdriedat110°C由图4.4（a）可得，经1100°C热处理后，不添加纳米SiO2的浇注料气孔孔径分布在6-9μm之间，且峰值较高，表明浇注料中只存在大量孔径在6-9μm间的气孔；而添加2%纳米SiO2的浇注料中既含有孔径在5-6μm间的大气孔，也含有孔径在1-2μm间的微小气孔。由图4.4（b）可知，当纳米SiO2的添加量为2%时，浇注料的气孔体积中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Optimal design on the high-temperature mechanical properties of porous alumina ceramics based on fractal dimension analysis[J]. Jingjing LIU,Wenlong HUO,Xiaoyan ZHANG,Bo REN,Yuanbing Li,Zaijuan ZHANG,Jinlong YANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(02)
[2]硅溶胶对铝酸盐水泥结合刚玉质浇注料微观结构和性能的影响[J]. 王峰,陈平安,朱伯铨,李享成. 硅酸盐学报. 2018(03)
[3]蓝晶石含量对轻质莫来石-刚玉浇注料显微结构与性能的影响[J]. 王月月,鄢文,李楠,张振燕,胡以栋. 耐火材料. 2017(04)
[4]硅–铝溶胶作为耐火浇注料胶结剂的研究现状与展望[J]. 王玉龙,李享成,陈平安,朱伯铨. 硅酸盐学报. 2017(03)
[5]氧化钴掺杂双相凝胶中莫来石各向异性生长机理(英文)[J]. 张锦化,柯昌明,吴红丹,张素新,于吉顺. 稀有金属材料与工程. 2015(02)
[6]纳米技术在耐火材料中应用的研究进展[J]. 刘新红,朱晓燕,马腾,周宁生. 硅酸盐通报. 2014(10)
[7]硅溶胶的研究进展及应用[J]. 段晓娜,孙羊羊,张海红,尚会建,郑学明. 硅酸盐通报. 2014(04)
[8]刚玉质微孔耐火材料的制备及性能[J]. 朱伯铨,魏国平,李享成,宋雅楠. 硅酸盐学报. 2013(03)
[9]纳米技术在耐火材料中的应用进展[J]. 张巍. 金属材料与冶金工程. 2013(01)
[10]刚玉质浇注料孔结构的分形特征[J]. 朱伯铨,方斌祥,李享成,姜晓. 硅酸盐学报. 2010(04)
博士论文
[1]铝酸盐水泥-硅溶胶结合系统优化及其对刚玉质浇注料性能的影响[D]. 王峰.武汉科技大学 2019
[2]镶嵌微晶尖晶石铝酸钙水泥结合浇注料的水化-脱水动力学和高温性能[D]. 王玉龙.武汉科技大学 2018
[3]利用纳米ZrO2添加剂合成MgO-CaO-CaZrO3耐火材料的研究[D]. 陆彩云.东北大学 2008
本文编号：3469773
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
浇注料的XRD图谱
武汉科技大学硕士学位论文55图4.2经1500℃热处理后浇注料A、C和E的显微形貌Fig.4.2MicrostructureofcastablesA,CandEfiredat1500°CAl2O3与SiO2间的固相烧结反应是生成莫来石的常见方式之一，原料的种类、杂质含量以及粒径对莫来石的生成温度、生成速率及形貌均有重要影响[87-90]。本章中的Al源为α-Al2O3，Si源为纳米SiO2粉体。SiO2粉体为非晶态，粒径为15nm，因此SiO2的活性高，原子间的扩散距离减小，有利于提高Al2O3与SiO2间莫来石化的速率，降低莫来石的生成温度。尽管纳米SiO2粉体粒径较小，活性很高，但α-Al2O3粒径为微米级且是Al2O3中最稳定的一种类型，通过固相反应直接生成莫来石的速率较慢，故基质中莫来石的形成机制符合二维形核机制[91-92]。即纳米SiO2与α-Al2O3通过固相反应生成了少量初始莫来石，在原料中的Na2O和K2O等碱金属氧化物的影响下，未反应的纳米SiO2在高温下以富硅液相的形式存在于基质中，这些富硅液相能进一步扩散并填充到初始莫来石与Al2O3颗粒间的空隙中，增加SiO2与α-Al2O3间的接触面积，从而形成二次莫来石。由于初始莫来石与二次莫来石具有相似的晶体结构，二次莫来石将以异质形核的方式在初始莫来石的生长层或缺陷处形核，同时新形成的生长层将为莫来石的形成和生长提供理想场所，故二次莫来石沿着初始莫来石一层接一层生长直到所有层均被覆盖，导致莫来石的粗化，最终形成了柱状莫
武汉科技大学硕士学位论文57图4.3所示为经110°C×24h烘干后浇注料的孔径分布与气孔体积中位径。当不添加纳米SiO2时，浇注料的孔径分布呈现为双峰分布，其气孔孔径主要分布在1μm和8μm之间（图4.3（a））；添加1%纳米SiO2的浇注料的气孔孔径则主要分布在500nm和8μm之间；当纳米SiO2添加量为2%时，孔径分布曲线呈现为多峰分布，浇注料中不仅存在大量纳米孔(孔径约15nm)，还存在较多微米孔(孔径在2μm至5μm之间)。此外，当浇注料中纳米SiO2含量逐渐增加时，较小孔径峰值对应的孔径从约1μm减小到500nm最后达到15nm，而较大孔径峰值对应的孔径降低不多，仅由8μm减少到2-5μm。纳米SiO2在常温下的填充机制在于其会优先填充到浇注料基质中的微小气孔中（如图4.3（a）较小孔径峰值对应的气孔），细化孔径；而对骨料间堆积形成的孔径较大的气孔的填充则取决于其含量的高低，当其添加量较高时，浇注料基质中的微小气孔以及骨料间的较大气孔均能得到有效的填充。因此，纳米SiO2在常温下有助于细化微小气孔，也能填充一部分较大的气孔，从而减小样品的孔径。图4.3（b）中浇注料的气孔体积中位径由1.2μm减小到230nm进一步表明纳米SiO2在低温下具有填充和细化气孔的作用。图4.3经110°C烘干后浇注料的孔径分布与气孔体积中位径Fig.4.3Poresizedistributionandporemediandiameterofcastablesdriedat110°C由图4.4（a）可得，经1100°C热处理后，不添加纳米SiO2的浇注料气孔孔径分布在6-9μm之间，且峰值较高，表明浇注料中只存在大量孔径在6-9μm间的气孔；而添加2%纳米SiO2的浇注料中既含有孔径在5-6μm间的大气孔，也含有孔径在1-2μm间的微小气孔。由图4.4（b）可知，当纳米SiO2的添加量为2%时，浇注料的气孔体积中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Optimal design on the high-temperature mechanical properties of porous alumina ceramics based on fractal dimension analysis[J]. Jingjing LIU,Wenlong HUO,Xiaoyan ZHANG,Bo REN,Yuanbing Li,Zaijuan ZHANG,Jinlong YANG. Journal of Advanced Ceramics. 2018(02)
[2]硅溶胶对铝酸盐水泥结合刚玉质浇注料微观结构和性能的影响[J]. 王峰,陈平安,朱伯铨,李享成. 硅酸盐学报. 2018(03)
[3]蓝晶石含量对轻质莫来石-刚玉浇注料显微结构与性能的影响[J]. 王月月,鄢文,李楠,张振燕,胡以栋. 耐火材料. 2017(04)
[4]硅–铝溶胶作为耐火浇注料胶结剂的研究现状与展望[J]. 王玉龙,李享成,陈平安,朱伯铨. 硅酸盐学报. 2017(03)
[5]氧化钴掺杂双相凝胶中莫来石各向异性生长机理(英文)[J]. 张锦化,柯昌明,吴红丹,张素新,于吉顺. 稀有金属材料与工程. 2015(02)
[6]纳米技术在耐火材料中应用的研究进展[J]. 刘新红,朱晓燕,马腾,周宁生. 硅酸盐通报. 2014(10)
[7]硅溶胶的研究进展及应用[J]. 段晓娜,孙羊羊,张海红,尚会建,郑学明. 硅酸盐通报. 2014(04)
[8]刚玉质微孔耐火材料的制备及性能[J]. 朱伯铨,魏国平,李享成,宋雅楠. 硅酸盐学报. 2013(03)
[9]纳米技术在耐火材料中的应用进展[J]. 张巍. 金属材料与冶金工程. 2013(01)
[10]刚玉质浇注料孔结构的分形特征[J]. 朱伯铨,方斌祥,李享成,姜晓. 硅酸盐学报. 2010(04)
博士论文
[1]铝酸盐水泥-硅溶胶结合系统优化及其对刚玉质浇注料性能的影响[D]. 王峰.武汉科技大学 2019
[2]镶嵌微晶尖晶石铝酸钙水泥结合浇注料的水化-脱水动力学和高温性能[D]. 王玉龙.武汉科技大学 2018
[3]利用纳米ZrO2添加剂合成MgO-CaO-CaZrO3耐火材料的研究[D]. 陆彩云.东北大学 2008
本文编号：3469773
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/3469773.html
