高鋁多孔隔熱耐火材料的制備及熱導率研究

李亞雄，李享成，朱伯銓(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地，湖北武漢430081)

高鋁多孔隔熱耐火材料的制備及熱導率研究

李亞雄，李享成，朱伯銓
(武漢科技大學耐火材料與高溫陶瓷國家重點實驗室培育基地，湖北武漢430081)

主要研究了一種高鋁多孔隔熱耐火材料的制備過程、顯微結構特征、氣孔率、常溫強度及導熱系數等性能。結果表明:隨著造孔劑的增加，材料氣孔率的增加，體積密度逐漸減小，材料的常溫抗折耐壓強度逐漸降低，熱導率減小。同時隨著溫度的升高，高鋁多孔隔熱耐火材料的導熱系數也隨之升高。高溫下閉口氣孔率從8.55%降低一半時，其熱導率降低近3倍，顯示高溫下閉口氣孔率對熱導率的影響更為顯著。

高鋁多孔隔熱耐火材料;導熱系數;閉氣孔率

冶金、水泥、汽車、建材等制造業是我國支柱產業，在我國經濟建設中占重要地位。這些行業節能降耗水平，是建設成兩型社會和實現低碳經濟的關鍵。目前，這些工業都需使用多孔隔熱耐火材料，起到保溫隔熱的作用，實現高溫工業節能降耗［1～3］。多孔隔熱耐火材料的特征是氣孔率高，一般為40%—85%，具有熱導率低、耐火度高、高溫性能優良(較好的高溫強度及熱震穩定性)等特點，用作工業窯爐的隔熱材料，可以減少爐體的散熱損失，節約能源，并可以減輕熱工設備的重量，是高溫工業實現節能降耗的關鍵材料［1～3］。

本文研究了輕質高鋁隔熱耐火材料的制備、物相組成及顯微結構，并研究了強度及熱導率等性能。

一、實驗過程

1.試樣制備

本次試驗所使用的主要原料有:高鋁熟料(Al2O3: 48%—64%)，粘土(30%—35%)，莫來石，藍晶石，木屑(＜1mm)，松香皂泡沫劑，制備流程如圖1所示。

圖1 高鋁多孔隔熱耐火材料的制備流程

先按比例制備泡沫泥漿，其中熟料:粘土=6∶4。然后將松香(31%)，NaOH(6.1%)，水(62.9%)的混合物在70℃～90℃下加熱至全部皂化，再分別用鹽水和清水洗滌并澄清后用100目篩過篩，同時加入木膠作為泡沫固定劑，攪拌均勻后制備成一定容重的泡沫狀液體。然后將泥漿∶泡沫=1∶0.25～1.5的比例混合并攪拌均勻，得到泡沫泥漿。將制備好的泡沫泥漿注入金屬模中，注滿后用鋁板刮平，帶模生坯可先在低溫下干燥(40℃)24小時，然后脫模在進行干燥(110℃)約2天。最后，制品在1300℃～1350℃的溫度下保溫4～6小時，得到高鋁多孔隔熱耐火材料制品。

2.檢測指標及手段

通過X－射線衍射儀(XRD)、光學顯微鏡確定了試樣的顯微結構，通過阿基米德法測定試樣的氣孔率，通過液壓機測定了試樣的強度，試樣的熱導率通過平板法測定。

二、結果與討論

1.高鋁多孔隔熱耐火材料的物相分析

在高鋁多孔耐火材料上取樣，制成細粉，進行XRD測試，結果如圖2所示。

圖2 高鋁多孔隔熱耐火材料的XRD圖譜

從圖中看，試樣中的主要物相為莫來石相，同時含有一定的剛主相和石英相，而磷酸鈣相則由結合劑高溫演化而來。

為了進一步分析試樣中存在的物相，對體積密度分別為0.8g/cm3，1.0 g/cm3，1.45 g/cm3的高鋁多孔耐火材料進行偏光分析，觀察其顯微形態，在200倍下進行觀察，其結果如圖3所示。

圖3 A、B、C三試樣的光學顯微照片

從圖中可以看出，剛玉相的顆粒粒徑為50—100μm，莫來石的粒徑在10—120μm。試樣中，剛玉相C組最多，B組次之，A組最少。莫來石和剛玉都是高鋁礬土熟料和粘土在400℃—1200℃下反應生成的。其反應為:

2.高鋁多孔隔熱耐火材料的氣孔率、強度和熱導率分析

A，B，C三組試樣的顯氣孔率、體積密度、抗折強度和耐火強度如表1所示。

表1 高鋁多孔隔熱耐火材料的物理性能

由表可知試樣的顯氣孔率和閉口氣孔率都是隨體積密度的增加而減小的，而且兩者的變化是一致的。隨著氣孔率的升高，試樣的體積密度逐漸減小，致密度降低。氣孔率的大小與原料中所添加的燒失劑有關，燒失劑含量越大，所得制品的氣孔率就越大。對于本實驗所用的泡沫發制備而成的輕質高鋁磚，若想獲得較高的氣孔率，就必須加入足量的松香泡沫劑和鋸末［5］。

由上述數據可以看出，隨著試樣的氣孔率升高，體積密度降低，其強度逐漸降低，這是因為氣孔不僅減小了試樣的負荷面積，并且在氣孔臨近的區域應力集中，減少了材料的負荷能力。另外，氣孔可以看作是裂紋和缺陷，這些地方容易引起應力集中，當應力達到一定程度時，裂紋開始擴展而導致斷裂，因此強度隨氣孔率的升高而降低［6］。材料的斷裂強度與氣孔率的關系可由下式給出:

n為常數，一般為4－7;

σ0為沒有氣孔時的強度;

當氣孔率約為10%時，強度將下降為沒有氣孔時強度的一半。因此對于輕質耐火材料，由于氣孔率高，體積密度較低，晶體之間沒有形成致密的連接，相對于致密耐火材料，其耐壓強度低，耐磨性能差。

在輕質材料的應用過程中，熱量將通過傳導、輻射和對流的方式在材料里傳遞。由于輕質隔熱材料是由至少兩相——固體和氣孔里的氣孔組成，因此熱傳遞就在這些相里和相界面上進行。本實驗運用平板法測試A、B、C三組高鋁輕質磚試樣的熱導率，如圖4所示。

圖4 試樣的導熱系數曲線

隨著溫度的升高，試樣A，B，C的導熱系數均增加，由于在溫度不太高的范圍內，主要是聲子導熱，導熱率由下面公式給出:

其中c—聲子的體積熱容;

v—聲子的速度;

l—聲子的平均自由程。在溫度不太高時，聲子的平均自由程增大到晶粒的大小，l的值基本無變化，而聲子的熱容與溫度的三次方成正比，因此導熱系數λ也近似與溫度的三次方成正比，隨著溫度的升高，材料的導熱系數增加［7］。

隨著氣孔率的增加，試樣的熱導率降低，其原因是空氣的導熱率要遠小于固體材料，氣孔增多，加大了對熱量傳遞的阻礙，減小了熱導率。其中開口和閉口氣孔率與熱導率的關系，分別如圖4(a)和圖4(b)所示。從圖4可看出，熱導率從1.3W/(mK)降低到0.35W/(mK)時，熱導率降低了3倍多，而開口氣孔率則52.33%增加到63.96%，增幅僅為20%;但閉口氣孔率則增加了2倍多。從理論上講，高溫下對流傳熱的作用減小，而輻射傳熱能力增大，當閉口氣孔增加時，減小了高溫輻射傳熱能力，從而急劇降低熱導率;開口氣孔率增加20%時，對流傳熱減小的程度較小，從而對熱導率的降低影響不大。

三、結論

(1)隨著多孔輕質材料的氣孔率增加，材料的體積密度逐漸減小，材料的常溫抗折耐壓強度逐漸降低。

(2)多孔輕質材料的導熱系數隨材料的氣孔率的升高而顯著降低，隨著氣孔孔徑的減小而降低;高溫下閉氣孔率對熱導率的影響更為顯著。

參考文獻:

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TQ175

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1006－5342(2012)08－0182－02