低维硅质隔热材料的研究

论文摘要

本课题利用微纳米尺寸的二氧化硅粉体,加入一定量的硅酸铝纤维增强基体,制备了具有微纳米孔径、高气孔率、低热导率和优良隔热性能的低维复合隔热耐火材料。研究了材料粒径大小、纤维的加入量和成型压力的大小对隔热材料力学性能、隔热性能以及成型行为的影响,并探讨了隔热材料内部热量传输微观机制。最后通过数值模拟,利用有限元法,模拟了气孔孔径大小以及气孔率对材料隔热性能的影响。为了研究粉体粒径大小对隔热材料隔热性能和力学性能影响,选用三种不同粒径的氧化硅细粉(30nm、100nm和1μm)作为固相基体材料,通过调节不同粒径的氧化硅细粉在试样中的比例来考察颗粒粒径对试样宏观性能的影响。结果显示,随着组成试样的大粒径颗粒的增多,其体积密度和耐压强度越大,但是试样的线收缩率和导热系数却变小。由于选作固相基体材料的气相氧化硅本身的导热系数比静止空气的还要低,所以,颗粒的堆积密度越大,其导热系数会越小。同时研究了颗粒粒径的大小对试样隔热性能影响的微观机制：颗粒堆积密度越大,颗粒之间的接触点会越多,由于所用颗粒均为微纳米尺寸,这些接触点所形成的晶界热阻效应不可忽略。单位尺寸内颗粒的接触点越多,由颗粒所围成的气孔就会越小,这会阻碍空气在孔隙中的热对流,特别是当孔径达到100nm以下的时候,这种阻碍作用更加显著。为了研究纤维的加入量对试样性能的影响,通过添加不同量的硅酸铝纤维,观察纤维与微粉的结合状态以及在材料内部的分布状况,考察了纤维的添加量对材料力学性能和隔热性能的影响。结果显示,纤维的加入能够改善试样的整体性,提高试样的强度,因为纤维能够将颗粒缠绕在一起,起到网络桥接的作用。试样中不含纤维时,其内部颗粒为刚性接触,在外力作用下很容易出现滑移,强度很低。但是当纤维加入量超过10wt%,就会很难分散。随着试样中纤维含量的增多,试样的体积密度和强度越来越大,相同温度下的线收缩率和导热系数也越来越大,但是增加幅度都逐渐减缓。纤维的加入增大了试样的导热系数,这一方面因为相同温度下,纤维的导热系数要高于氧化硅颗粒,另一方面纤维增加了试样的热传导的面积。通过改变不同的成型压力,研究成型压力对材料孔隙的形成以及分布状态的影响,进而考察了对材料整体性、结构以及隔热性能的影响。结果表明,成型压力较小时,试样内部气孔连通,孔径比较大,试样的体积密度和耐压强度都比较小。随着成型压力的变大,试样内部孔隙率会减小,多为孤立的封闭气孔,试样的体积密度和强度都比较高。由于固相物质的导热系数低于空气,所以试样的导热系数随着成型压力的增大而变小。把低维隔热材料在不同的温度下进行热处理,研究试样的最高使用温度。结果表明,在1100℃以上,特别是到了1200℃,试样中的不定形氧化硅完全完全转化为石英,不再具有保温效果。但是在温度低于1000℃时,氧化硅粉体基本没有晶化。在因此,试样的长期使用温度要控制在1000℃以下。采用有限元分析的方法,建立了低维隔热材料的物理模型,模拟气孔率和孔隙大小对试样导热系数的影响。结果表明,气孔尺寸越小,导热系数越小：在25vol%～75vol%的范围内,气孔率越大,导热系数越大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 隔热材料的组织结构和隔热机理
• 1.1.1 隔热耐火材料的组织结构
• 1.1.2 复合隔热材料的隔热机理
• 1.2 复合隔热材料热导率的影响因素
• 1.2.1 体积密度对热导率的影响
• 1.2.2 气孔率对热导率的影响
• 1.2.3 气孔尺寸对热导率的影响
• 1.2.4 温度对热导率的影响
• 1.3 热传导的数值模拟
• 1.3.1 数值传热概述
• 1.3.2. 数值模拟导热系数的研究现状
• 1.3.3 Comsol Multiphysics的传热模块介绍
• 1.4 本课题的研究内容
• 2 试样制备以及检测方法
• 2.1 试样的制备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 试样的制备
• 2.2 试样性能测试方法
• 2.2.1 常规物理性能测试
• 2.2.2 使用性能测试
• 2.2.3 显微结构观察
• 3 不同粒径的颗粒对试样性能影响的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验配比
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 不同粒径的颗粒对试样常温性能的影响
• 3.3.2 不同粒径的颗粒对试样导热系数的影响
• 3.3.3 不同温度下试样的晶化研究
• 3.3.4 粒径大小对试样导热系数的影响机理分析
• 3.3.5 不同粒径大小的试样的微观结构分析
• 3.4 本章小结
• 4 纤维添加量对试样结构和性能影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验配比
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 不同纤维添加量对试样常温性能的影响
• 4.3.2 不同纤维添加量对试样导热系数的影响
• 4.3.3 不同纤维添加量对试样导热系数的影响机理分析
• 4.3.4 不同纤维添加量的试样的微观结构分析
• 4.4 本章小结
• 5 成型压力对试样结构和隔热性能影响的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验配比
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 不同成型压力对试样常温性能的影响
• 5.3.2 不同成型压力对试样导热系数的影响
• 5.3.3 不同成型压力对试样导热系数的影响机理分析
• 5.4 本章小结
• 6 导热系数的有限元模拟
• 6.1 引言
• 6.2 传热模型分析
• 6.2.1 数值传热的理论基础
• 6.2.2 物理模型
• 6.2.3 边界条件
• 6.3 数值模拟结果分析
• 6.3.1 不同大小的孔径对导热系数影响的模拟结果
• 6.3.2 不同气孔率对导热系数影响的模拟结果分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 参考文献
• 致谢