低維硅質(zhì)隔熱材料的研究.pdf

1、本課題利用微納米尺寸的二氧化硅粉體,加入一定量的硅酸鋁纖維增強基體,制備了具有微納米孔徑、高氣孔率、低熱導(dǎo)率和優(yōu)良隔熱性能的低維復(fù)合隔熱耐火材料。研究了材料粒徑大小、纖維的加入量和成型壓力的大小對隔熱材料力學(xué)性能、隔熱性能以及成型行為的影響,并探討了隔熱材料內(nèi)部熱量傳輸微觀機(jī)制。最后通過數(shù)值模擬,利用有限元法,模擬了氣孔孔徑大小以及氣孔率對材料隔熱性能的影響。
　　 為了研究粉體粒徑大小對隔熱材料隔熱性能和力學(xué)性能影響,選用三種

2、不同粒徑的氧化硅細(xì)粉(30nm、100nm和1μm)作為固相基體材料,通過調(diào)節(jié)不同粒徑的氧化硅細(xì)粉在試樣中的比例來考察顆粒粒徑對試樣宏觀性能的影響。結(jié)果顯示,隨著組成試樣的大粒徑顆粒的增多,其體積密度和耐壓強度越大,但是試樣的線收縮率和導(dǎo)熱系數(shù)卻變小。由于選作固相基體材料的氣相氧化硅本身的導(dǎo)熱系數(shù)比靜止空氣的還要低,所以,顆粒的堆積密度越大,其導(dǎo)熱系數(shù)會越小。同時研究了顆粒粒徑的大小對試樣隔熱性能影響的微觀機(jī)制:顆粒堆積密度越大,顆粒之

3、間的接觸點會越多,由于所用顆粒均為微納米尺寸,這些接觸點所形成的晶界熱阻效應(yīng)不可忽略。單位尺寸內(nèi)顆粒的接觸點越多,由顆粒所圍成的氣孔就會越小,這會阻礙空氣在孔隙中的熱對流,特別是當(dāng)孔徑達(dá)到100nm以下的時候,這種阻礙作用更加顯著。
　　 為了研究纖維的加入量對試樣性能的影響,通過添加不同量的硅酸鋁纖維,觀察纖維與微粉的結(jié)合狀態(tài)以及在材料內(nèi)部的分布狀況,考察了纖維的添加量對材料力學(xué)性能和隔熱性能的影響。結(jié)果顯示,纖維的加入能夠改

4、善試樣的整體性,提高試樣的強度,因為纖維能夠?qū)㈩w粒纏繞在一起,起到網(wǎng)絡(luò)橋接的作用。試樣中不含纖維時,其內(nèi)部顆粒為剛性接觸,在外力作用下很容易出現(xiàn)滑移,強度很低。但是當(dāng)纖維加入量超過10wt％,就會很難分散。隨著試樣中纖維含量的增多,試樣的體積密度和強度越來越大,相同溫度下的線收縮率和導(dǎo)熱系數(shù)也越來越大,但是增加幅度都逐漸減緩。纖維的加入增大了試樣的導(dǎo)熱系數(shù),這一方面因為相同溫度下,纖維的導(dǎo)熱系數(shù)要高于氧化硅顆粒,另一方面纖維增加了試樣的

5、熱傳導(dǎo)的面積。
　　 通過改變不同的成型壓力,研究成型壓力對材料孔隙的形成以及分布狀態(tài)的影響,進(jìn)而考察了對材料整體性、結(jié)構(gòu)以及隔熱性能的影響。結(jié)果表明,成型壓力較小時,試樣內(nèi)部氣孔連通,孔徑比較大,試樣的體積密度和耐壓強度都比較小。隨著成型壓力的變大,試樣內(nèi)部孔隙率會減小,多為孤立的封閉氣孔,試樣的體積密度和強度都比較高。由于固相物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)低于空氣,所以試樣的導(dǎo)熱系數(shù)隨著成型壓力的增大而變小。
　　 把低維隔熱材料在

6、不同的溫度下進(jìn)行熱處理,研究試樣的最高使用溫度。結(jié)果表明,在1100℃以上,特別是到了1200℃,試樣中的不定形氧化硅完全完全轉(zhuǎn)化為石英,不再具有保溫效果。但是在溫度低于1000℃時,氧化硅粉體基本沒有晶化。在因此,試樣的長期使用溫度要控制在1000℃以下。
　　 采用有限元分析的方法,建立了低維隔熱材料的物理模型,模擬氣孔率和孔隙大小對試樣導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明,氣孔尺寸越小,導(dǎo)熱系數(shù)越小;在25vol％～75vol％的范圍