氧化铝多孔陶瓷的隔热耐火性能如何进一步提高?

发布时间 | 2024-03-19 10:55 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 153
稀土 碳化硅 氧化锆 氧化铝
导读:氧化铝多孔陶瓷具有多孔、低密度的结构特点,是一种优异的轻质隔热材料。为了使其更好地应用在在高温工业中,可通过结构的调整精确控制气孔的孔径分布及尺寸,或引入第二相来进一步提升其隔热性...

能源的过度消耗现已成为高温工业面临的重要挑战,为了推动绿色低碳能源体系的建设,对各类工业窑炉进行保温绝热改造,提升其热效率是当前刻不容缓的任务。传统的高温窑炉能耗大的原因在于采用了重质结构而具有较大的热惯性和热容量,使得在窑炉运作时的升降温速率较低,需要更多的能量来加热和冷却,因此兼具轻质、高强度、低导热、耐热等性能的氧化铝多孔陶瓷成为了轻型结构高温窑炉内衬材料的优选。


来源:岩谷科技

氧化铝多孔陶瓷为什么能够隔热?

众所周知,氧化铝的热导率约20-30W/(m·K),是导热填料主力大军,被视为导热界面材料的“退烧药”。那为何具有出色导热能力的氧化铝摇身一变多孔材料,就能具备优异的隔热耐火性能呢?这其中的奥秘与以下几个原因有关:


氧化铝多孔陶瓷

来源:苏州凯发新材料科技有限公司

一方面,同一材料在不同温度下热导率并不相同,随着工业窑炉内温度的升高,氧化铝的热导率会不断下降,1200℃下的热导率大概只有400℃下的热导率的一半左右。不过,氧化铝的热导率在常温下有20-30W/(m·K),即使高温窑炉内达到1200℃,也能达到将近10W/(m·K)的热导率,比很多材料的热导率都要高。因此,多孔氧化铝陶瓷具备的优异隔热耐火性能主要还是与其结构有关。

氧化铝用作导热陶瓷时,一般要求密度和纯度较高,以减少原子或离子无序排列的玻璃相成分。而当氧化铝陶瓷做为隔热材料时,其结构上的最大特点就是多孔、低密度。这种多孔结构,使得热量从高温面向低温面传递时,在固相中传热为固相传导,但在碰到气孔以后,传热路线变为两条:一条是通过气孔内的气体传热,主要有空气对流传热、辐射传热以及气体分子的运动导致的传热这三种方式;另一条路线则仍是固相传递,但其传热方向发生了变化,大大延长了总的传热路线;因此氧化铝多孔陶瓷在一定程度上既可以阻隔热传导,也能够阻隔热辐射,从而有效地起到隔热保温的作用。

氧化铝隔热材料的隔热机理(来源:高温节能保温技术)

氧化铝多孔陶瓷隔热耐火性能如何提升?

用于高温工业窑炉中的氧化铝多孔陶瓷要提升隔热耐火性能,主要从降低热导率以及提升抗热震性两方面入手。

1、降低热导率的措施

氧化铝多孔陶瓷是由一个或多个固相和气相组成的多相材料聚集体,而根据上述所说的隔热机理,不难看出其热导率与孔结构有着紧密的关系。因此降低氧化铝多孔陶瓷热导率的关键在于对孔隙率、孔结构的调控。

①孔隙率控制:由于空气中传递的热量远小于固相中传递热量,其热导率仅约为0.0245-0.0778W/(m·K),因此对于整个材料传导过程来说,气相所占的比例越大,其导热系数越小,因此氧化铝多孔陶瓷的气孔率一般都控制在45%以上。但为了保证一定的机械性能,氧化铝多孔陶瓷的孔隙率并不能一味增加。因此当轻质隔热材料的气孔率在一定程度上无法继续提升时,其热导率主要取决于材料内部的气孔尺寸及相互之间的连通情况。

②气孔大小控制:在孔隙率不变的情况下,较小的气孔在减小了空气对流的幅度,降低了对流传热的效率的同时,也意味着气孔数量的增加,较大的材料内部气孔壁表面积的总量增加了固体反射面,从而降低了幅射传热效率。因此,在保持材料气孔率不变的情况下,减小气孔尺寸会降低材料的热导率。

③气孔结构控制:闭口气孔与开口气孔在导热系数方面也存在差异。由于闭口气孔内部的空气与外界隔绝,形成了一个相对稳定的隔热层,从而减少了热量的传递,因此要在相同体积密度下降低氧化铝多孔陶瓷的热导率,也可通过提高其闭气孔率。

虽然,氧化铝多孔陶瓷的隔热机理主要是利用了其多孔结构引入了气相成分,但在较高温下,由固相传导的热量仍占70%。因此,除了对其孔隙率、孔结构进行调控外,对固相成分进行调控也十分重要。目前主要通过生成或直接添加热导率较低的新相,如稀土化合物或玻璃相成分等。稀土氧化物中的氧离子和阴离子的相对原子质量及尺寸相差较大,导致晶格散射大,而玻璃相具有近程有序的特点,声子平均自由程小,从而使得热导率降低;

2、提升抗热震性的措施:

温度的变化会使多孔陶瓷在快速降温或快速升温时发生断裂,抗热震性则是指材料承受温度的骤冷、骤热而不被破坏的能力。

由于脆性较大,氧化铝多孔陶瓷在热震时,温度变化引起的热应力易导致试样表面产生裂纹,裂纹会使得残余强度下降。一般来说,氧化铝陶瓷经300℃温差单次热震后的强度保持率仅约为22%。因而,阻止裂纹产生和裂纹扩展对于提高多孔陶瓷抗热震性十分关键。目前,除了需要保持适中的气孔率,以兼顾材料良好的抗热震性以及隔热性能外,对于氧化铝基陶瓷而言还可采用引入第二相的方式进行增韧或添加低热膨胀系数组元来降低陶瓷的热膨胀系数,从而改善其抗热震性能。目前常用的第二相材料包括氧化锆碳化硅、钛酸铝、堇青石等非金属材料以及Cu、Ni、金属间化合物等金属材料,具有较低热膨胀系数或负膨胀系数的组元则包括堇青石、莫来石、红柱石、钛酸铝、锂霞石等。

不同ZrO2添加量下Al2O3抗热震陶瓷的SEM图片


含有10%堇青石的Al2O3抗热震陶瓷的SEM图片

小结

氧化铝多孔陶瓷具有多孔、低密度的结构特点,是一种优异的轻质隔热材料。为了使其更好地应用在在高温工业中,可通过结构的调整精确控制气孔的孔径分布及尺寸,或引入第二相来进一步提升其隔热性能。而在抗热震性能上,则需要采用引入增强相增韧、添加低热膨胀系数组元等方式对其进行增韧处理。

 

周爱萍,魏春成,李培江等.多孔陶瓷的性能及其应用[J].陶瓷.

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