钛酸铝—莫来石—镁铝尖晶石质空心球隔热材料的研制

论文摘要

钛酸铝是一种集低热膨胀耐高温于一体的优质材料,但其强度低和热稳定性差两个致命弱点限制了它的应用。空心球结构具有孔隙率大、密度小、隔热性能好等优点,是制备高性能隔热材料的理想结构。本论文通过对钛酸铝材料进行复合改性,并将其制成空心球结构的新型隔热保温材料。本文通过固相法合成了钛酸铝粉体,探讨了莫来石和镁铝尖晶石等外加剂对钛酸铝材料性能的影响,然后采用滚球法将复合材料滚制成不同孔径的空心球,烧制成空心球隔热砖,利用XRD、SEM、导热系数测试仪、热膨胀系数测试仪和万能材料试验机等测试手段对材料的结构和性能进行了较为深入和系统的研究。制备钛酸铝一莫来石复相陶瓷（ATM）,探讨了莫来石抑制钛酸铝分解和提高强度的机制,研究了莫来石对钛酸铝材料导热系数,抗压强度和热稳定性的影响。结果表明:随着莫来石量的增加,ATM多孔材料的导热系数先变小再增大。ATM多孔材料的强度随着莫来石量的增加呈现上升的趋势,研究发现莫来石加入量在20-30%之间,材料的抗压强度增加最显著。莫来石的加入量以30%为宜,加入量过多会使复合材料的热膨胀系数增加,从而失去很好的热震稳定性。在ATM复合材料的基础配方上,通过外加高强的铝矾土、镁铝尖晶石、刚玉进行增强,考察了外加剂种类和用量对复合材料性能的影响。结果表明,镁铝尖晶石在减少重烧线收缩和降低导热系数的方面效果较明显。外加10%的镁铝尖晶石会使复合材料的导热系数从0.3389w/k.m降低为0.2856w/k.m。采用滚球法工艺制备了空心球多孔砖,研究结合剂的种类和用量、填充细粉的用量、空心球大小配比和烧成制度对空心球砖性能的影响。结果表明:选用5%的Al2（SO4）3和PVA复合结合剂,其抗压强度能达到5.6 MPa。合理的级配有利于大气孔和连续气孔的减少,提高抗压强度。在本研究的实验条件下,大球（直径为2mm）:中球（直径为1mm）:小球（直径为0.5mm）的质量配比为3:4:3是一个较理想的级配。随着烧成温度的提高和保温时间的延长,制品的显气孔率下降,体积密度和抗压强度增加,导热系数也有所上升。最后通过优化工艺与配方,经1500℃保温60min烧成制备出了体积密度为1.27g/cm3、导热率0.1264W/m.k、常温耐压强度可达6.4MPa的轻质隔热砖。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 2 文献综述
• 2.1 隔热耐火材料的研究进展
• 2.1.1 隔热耐火材料的分类
• 2.1.2 各种隔热材料的特点
• 2.1.3 隔热材料的制备方法
• 2.1.4 隔热耐火材料的隔热机理
• 2.1.5 隔热耐火材料的结构与性能
• 2.1.5.1 隔热材料导热系数影响因素
• 2.1.5.2 隔热材料力学性能影响因素
• 2.1.6 隔热耐火材料发展趋势
• 2.2 钛酸铝材料的研究进展
• 2.2.1 钛酸铝材料的组成与结构
• 2.2.2 钛酸铝材料的性能
• 2.2.2.1 钛酸铝陶瓷的热分解
• 2.2.2.2 钛酸铝陶瓷的热膨胀性和热滞后性
• 2.2.2.3 钛酸铝的强度
• 2.2.3 钛酸铝的合成
• 2.2.4 钛酸铝的改性研究
• 2.2.4.1 提高钛酸铝热稳定性的方法
• 2.2.4.2 提高钛酸铝强度的方法
• 2.2.5 钛酸铝材料的应用
• 2.3 本课题研究背景和研究意义
• 3 实验部分
• 3.1 课题研究的技术与目标
• 3.2 实验设计
• 3.2.1 实验工艺流程
• 3.2.2 实验研究内容
• 3.2.2.1 莫来石对钛酸铝材料性能的改善
• 3.2.2.2 外加剂对ATM复合材料性能的影响
• 3.2.2.3 钛酸铝质空心球的制备
• 3.2.2.4 工艺因素对空心球隔热砖性能的影响
• 3.3 实验原料及主要原料的性能
• 3.3.1 实验原料
• 3.3.2 实验所用主要原料的性能
• 3.4 实验仪器与设备
• 3.5 性能测试和表征
• 4 实验结果的分析与讨论
• 4.1 莫来石对钛酸铝材料的改性
• 4.1.1 固相法合成钛酸铝
• 4.1.2 莫来石对多孔砖导热系数的影响
• 4.1.3 莫来石对多孔砖抗压强度的影响
• 4.1.4 莫来石对钛酸铝热分解的影响
• 4.1.5 小结
• 4.2 外加剂对钛酸铝-莫来石（ATM）复合材料性能的影响
• 4.2.1 外加剂的性质
• 4.2.2 不同外加剂对ATM多孔砖抗压强度的影响
• 4.2.3 不同外加剂对ATM多孔砖导热系数的影响
• 4.2.4 不同外加剂对ATM多孔砖重烧线收缩的影响
• 4.2.5 不同外加剂对复合材料热膨胀系数的影响
• 4.2.6 小结
• 4.3 空心球的制备
• 4.3.1 球核原料的优选
• 4.3.2 空心球前驱体的热处理
• 4.3.3 小结
• 4.4 工艺因素对空心球砖性能的影响
• 4.4.1 加料工序对空心球砖性能的影响
• 4.4.2 结合剂对空心球砖性能的影响
• 4.4.2.1 结合剂种类对空心球砖性能的影响
• 4.4.2.2 结合剂用量对空心球砖性能的影响
• 4.4.3 填充细粉量对空心球砖性能的影响
• 4.4.4 空心球大小配比对空心球砖性能的影响
• 4.4.5 烧成制度对空心球砖性能的影响
• 4.4.5.1 升温制度的确立
• 4.4.5.2 烧成温度对空心球砖性能的影响
• 4.4.5.3 保温时间对空心球砖性能的影响
• 4.4.6 小结
• 5 结论
• 6 论文的不足及今后工作方向
• 致谢
• 参考文献