抛光砖废料开口连通孔陶瓷吸声材料的制备与性能研究

发布时间：2017-05-05 15:16

  本文关键词：抛光砖废料开口连通孔陶瓷吸声材料的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着工业和城镇化的迅速发展,噪声污染日趋严重,不仅影响人们正常的工作、学习和生活,而且危害人体健康。为达到降低噪声的目的,开发优良的吸声材料显得十分重要。本论文根据吸声材料应具备安全性、装饰性和低成本的原则,采用严重污染环境的陶瓷抛光砖废料为原料,制备出适于在多种场合使用的多孔陶瓷吸声材料。课题的开展对资源回收利用、环境保护和促进陶瓷工业的可持续发展具有重要的意义。首先,通过单因素实验,确定了抛光砖废料的掺量为25～35 wt%,普通水泥的掺量5-15 wt%。设计了L9(3。)正交实验,以抛光砖废料、普通水泥、冷却速度作为因素,平均吸声性能和强度作为评价指标,优选了最佳的组成配方：陶瓷基础料75 wt%,抛光砖废料25 wt%,外加普通水泥10 wt%；冷却速度30min。结果表明：冷却速度对吸声材料综合性能和平均吸声系数的影响最显著,而冷却速度对强度的影响不显著。普通水泥加入量愈多,发泡效果愈好,吸声效果愈明显,但制品强度愈差；冷却速度越快,平均吸声性能越好,对强度影响不大。通过实验和理论分析,研究了陶瓷砖发泡的原因。排除了有机物和普通水泥引致材料发泡的可能,证实了陶瓷砖发泡主要是抛光砖废料中的SiC在高温下氧化形成气体所致,同时,各种碱性氧化物形成的低共熔物加速了SiC与氧发生反应,产生大量的CO或CO2气体被封闭在高温液相中来不及排出,从而形成了多孔材料的孔隙结构,导致陶瓷材料出现发泡效果。通过动力学计算分析了抛光砖废料对陶瓷砖烧结特性的影响,结果表明：随着抛光砖废料的增加,莫来石析晶活化能从780 kJ/mol降低至530kJ/mol,析晶活化能越低,莫来石越容易形成。同时,随着抛光砖废料的增加,Avrami常数从1.82降低至1.12,说明莫来石的析晶生长维度逐渐减小,较小的生长维度有利于形成针状莫来石交错网络,在显微结构上起到一定的增强作用。普通水泥的加入使得陶瓷砖在1200℃出现大量的熔融液相,加快了氧的扩散速度,促进了发泡,同时也得到了连通气孔结构。通过热力学计算分析,证明随着CaO的加入,在Si02含量较高的情况下,钙长石的形成趋势大于莫来石。XRD分析结果也表明：当CaO含量在5%时,试样的主晶相为石英和钙长石。同时,当普通水泥加入量为10%时,试样的综合性能较好。此外,水泥的水化作用对陶瓷砖的发泡性能并无影响。研究了多孔陶瓷吸声材料孔隙结构、孔隙率对吸声性能和强度的影响,探讨了多孔陶瓷吸声材料的致孔过程。结果表明：SiC高温下的氧化反应产生发泡,由于水泥的加入,产生大量高温黏度适当高的熔融相,促进了发泡反应,使气孔连通,在较快的冷却速度下,连通孔结构凝固成形。材料吸声系数与孔隙结构有很大的关系。显气孔率越高,其吸声性能愈好；在不影响连通气孔率的情况下,孔径越小,吸声性能越好。同时,以废料含量、水泥含量、冷却速度、显气孔率和真密度为输入变量,建立材料体系输入-输出模式的非线性映射关系,利用自行设计的神经网络进行样本数据的训练和测试样的预测,得到了较满意的预测结果,并最终获得与正交实验分析结果一致的优选配方。对最优配方制备的吸声材料进行测试表征,结果表明：在160～2000 Hz材料的平均吸声系数为0.255,抗折强度3.93 MPa,真气孔率64.45%,显气孔率42.05%,容重0.89g/cm3。材料厚度、容重与背后空腔等因素均会对多孔陶瓷吸声材料吸声频谱特性产生影响：随着材料厚度、容重、材料背后空腔厚度的增加,第一共振频率往低频方向移动,材料的低频吸声性能提高。论文利用CFD软件Fluent模拟了声波在驻波管内的传播过程,详细介绍了驻波管CFD分析方法,并从全频段、不同背后空腔、不同厚度等多方面与实验中的测试数据进行对比,对模型进行了验证,结果表明：本研究所建立的模型是可靠的,利用该模型可以辅助研究多孔陶瓷吸声材料的吸声性能。
【关键词】：抛光砖废料 吸声材料 多孔陶瓷 发泡 开口连通孔 孔隙率 吸声系数
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ174.1;TB34
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-54
• 1.1 引言14
• 1.2 抛光砖废料的产生及利用现状14-21
• 1.2.1 陶瓷工业废料及抛光砖废料的产生14-15
• 1.2.2 抛光砖废料的利用现状15-21
• 1.3 多孔陶瓷的分类和制备21-26
• 1.3.1 多孔陶瓷的分类21-23
• 1.3.2 多孔陶瓷的制备工艺23-26
• 1.4 噪声评价及控制26-31
• 1.4.1 声音的计量27-28
• 1.4.2 噪声评价常用声学量28-30
• 1.4.3 噪声控制30-31
• 1.5 吸声材料吸声机理及分类31-40
• 1.5.1 吸声机理31-34
• 1.5.2 吸声材料的分类34-40
• 1.6 材料吸声性能的测定及性能评价40-44
• 1.6.1 材料的吸声系数40-43
• 1.6.2 其他吸声性能指标43-44
• 1.7 本课题研究目的、意义和主要内容44-46
• 1.7.1 本课题研究目的和意义44-45
• 1.7.2 研究的主要内容45-46
• 参考文献46-54
• 第二章 实验工艺与测试表征54-64
• 2.1 实验条件54-55
• 2.1.1 实验用原料54-55
• 2.1.2 实验用仪器及设备55
• 2.2 实验工艺流程及烧成制度55-57
• 2.2.1 工艺流程55-56
• 2.2.2 实验用烧成制度56-57
• 2.3 主要测试表征参数57-62
• 2.3.1 吸水率、显气孔率及体积密度的测定57-58
• 2.3.2 真密度,真气孔率和闭气孔率的测定58-59
• 2.3.3 线收缩率的测定59
• 2.3.4 抗折强度的测试59
• 2.3.5 吸声性能的测试59-61
• 2.3.6 X射线衍射分析61-62
• 2.3.7 热分析62
• 2.3.8 其他分析方法62
• 2.4 本章小结62-63
• 参考文献63-64
• 第三章 利用抛光砖废料制备多孔陶瓷吸声材料64-90
• 3.1 主要原料分析64-80
• 3.1.1 陶瓷基础料64-67
• 3.1.2 抛光砖废料67-72
• 3.1.3 外加剂的选择与分析72-77
• 3.1.4 冷却速度的控制77-79
• 3.1.5 三聚磷酸钠的影响79-80
• 3.2 正交实验优化配方80-86
• 3.2.1 正交实验设计80-81
• 3.2.2 结果与分析81-86
• 3.3 本章小结86-88
• 参考文献88-90
• 第四章 抛光砖废料对多孔陶瓷发泡的影响90-109
• 4.1 碳化硅发泡作用的论证90-93
• 4.1.1 有机物、氯化镁发泡的分析90-92
• 4.1.2 普通水泥发泡的分析92-93
• 4.2 抛光砖废料对烧结性能的影响93-105
• 4.2.1 实验设计93-94
• 4.2.2 物化性能94
• 4.2.3 试样烧结特性94-96
• 4.2.4 显微结构96-98
• 4.2.5 试样的发泡98-100
• 4.2.6 动力学分析100-105
• 4.3 本章小结105-106
• 参考文献106-109
• 第五章 普通水泥对多孔陶瓷发泡的影响109-129
• 5.1 普通水泥对发泡的影响109-120
• 5.1.1 热分析109-110
• 5.1.2 体收缩-膨胀测试110-112
• 5.1.3 X射线衍射分析112-113
• 5.1.4 热力学分析113-118
• 5.1.5 烧成温度118-120
• 5.2 普通水泥掺量的影响120-121
• 5.3 水泥水化的影响121-127
• 5.3.1 水泥的水化产物122-123
• 5.3.2 水化后水泥的热分析123
• 5.3.3 水化后水泥的显微分析123-125
• 5.3.4 烧成样品的比较125-127
• 5.4 本章小结127-128
• 参考文献128-129
• 第六章 多孔陶瓷吸声材料吸声性能影响因素分析129-143
• 6.1 多孔陶瓷吸声材料的孔隙结构129-131
• 6.1.1 吸声与隔声129
• 6.1.2 孔隙结构对吸声性能的影响129-130
• 6.1.3 孔隙率对强度的影响130-131
• 6.2 多孔陶瓷吸声材料的致孔过程131-134
• 6.2.1 抛光砖废料的发泡131
• 6.2.2 普通水泥促进剧烈发泡131
• 6.2.3 快速冷却形成连通孔形态131-132
• 6.2.4 实验样品的连通孔结构132-134
• 6.3 利用神经网络建立预测模型指导实验研究134-140
• 6.3.1 人工神经网络excel建模135-138
• 6.3.2 神经网络权值的优化138-139
• 6.3.3 材料吸声性能的神经网络预测139-140
• 6.3.4 优选配方制品性能测试140
• 6.4 本章小结140-142
• 参考文献142-143
• 第七章 多孔陶瓷吸声频谱特性影响因素及模拟仿真143-166
• 7.1 多孔陶瓷吸声材料吸声频谱特性的影响因素143-147
• 7.1.1 厚度对材料吸声频谱特性的影响143-144
• 7.1.2 容重对材料吸声频谱特性的影响144
• 7.1.3 背后空腔对材料吸声频谱特性的影响144-147
• 7.2 驻波管CFD分析方法147-157
• 7.2.1 模型描述147
• 7.2.2 建立网格模型147
• 7.2.3 Fluent中的分析过程147-157
• 7.3 模型验证157-164
• 7.3.1 全频段验证157-163
• 7.3.2 不同背后空腔验证163-164
• 7.3.3 不同厚度验证164
• 7.4 本章小结164-165
• 参考文献165-166
• 结论166-167
• 展望167-168
• 攻读博士学位期间取得的研究结果168-169
• 致谢169-170
• 附件170

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