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一文了解陶瓷隔热材料


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  陶瓷基隔热材料是一种功能材料,多用于高温窑炉及热工设备。通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数低等特点。因其保温、隔热、隔声、防火等性能,也被应用于工业、农业、国防、宇航等领域。

中国粉体网讯  陶瓷基隔热材料是一种功能材料,多用于高温窑炉及热工设备。通常具有质轻、疏松、多孔、导热系数低等特点。因其保温、隔热、隔声、防火等性能,也被应用于工业、农业、国防、宇航等领域。


陶瓷隔热材料的导热方式


隔热材料是由气相、固相组成的两相介质,热量传递形式主要是传导、对流和辐射。良好的隔热材料既满足隔热性能还可满足环境条件。


热传导

隔热材料热传导包括固相热传导和气相热传导。固体颗粒产生固相热传导;气孔中的分子热运动产生气相热传导。常压下,气相热传导对隔热性能影响要大于固相热传导,真空条件下差异会更加明显。


热对流

热量随介质流动传递。可分为强迫对流和自由对流。外部原因造成的对流称为强迫对流;介质温度变化引起密度不同造成的对流称为自由对流。


热辐射

物体辐射被另一物体部分吸收,其余部分可能被反射、透过。随温度升高,辐射传热加强。同时气孔及空隙的增多也会使辐射传热量增大。


材料微观导热受到许多因素影响。物质导热载体共有四种,:分子、声子、光子和电子。因隔热材料为无机非金属材料,可忽略电子导热,微观导热主要有分子、声子及光子导热。




分子导热

气体热量传导通过分子、原子实现。导热是气体分子不规则热运动相互碰撞的结果。温度越高分子动能越大,分子相互碰撞使热量从高温传到低温。


声子导热

固体中原子运动自由度有限,仅能在固定位置振动,振幅大小取决于各原子能量。当存在温差时,振动剧烈程度不同,从而发生相互作用实现能量传递,这种机理叫声子导热。影响声子导热主要因素是声子的平均自由程。


光子导热

固体中质点振动、转动等辐射出频率较高的电磁波。当存在温差时,通过这种电磁波的作用就使部分热能从高温处传到低温处,这种导热机理即为光子导热。光子导热的影响程度主要决定于光子的平均自由程。


几种陶瓷隔热材料


多孔陶瓷隔热材料


多孔陶瓷具有耐高温、耐腐蚀等性能。此外,还有隔热、吸声、比表面积大等特点。多孔陶瓷的热导率较低,孔腔内充斥的气体可提高多孔陶瓷隔热性能。


典型多孔陶瓷制备工艺:添加造孔剂工艺、发泡工艺、有机泡沫浸渍工艺,溶胶-凝胶工艺,还有制备纤维多孔陶瓷的加压排液工艺和真空抽滤工艺。



添加造孔剂工艺

在配料中添加造孔剂可制备多孔陶瓷隔热材料。烧结可使坯体造孔剂挥发,从而在基体材料中留下孔隙。该工艺优点是可依据造孔剂本身结构特点制得各形状、结构的多孔陶瓷,且可调节材料气孔率。但该工艺存在造孔剂分散困难、气孔分布均匀性差、不能制备大孔隙率多孔陶瓷等缺点。


发泡工艺

发泡法制备多孔陶瓷隔热材料,较容易控制多孔陶瓷最终的形状、成分和密度。该工艺以碳化钙、氢氧化钙、双氧水等为发泡剂与陶瓷原料相混合。升温发泡剂分解,从而获得一定尺寸、形状的多孔陶瓷。但是该方法对原料要求较高;不能与发泡剂反应;具有一定的流动性。


有机泡沫浸渍工艺

有机泡沫浸渍工艺以有机泡沫材料为前驱体,浸渍浆料后经高温烧结制成多孔陶瓷隔热材料。坯体干燥烧结时有机泡沫氧化分解,气化后留下孔隙,从而制得多孔陶瓷隔热材料。该工艺适合制备较高气孔率、气孔较大的多孔陶瓷,但是不能有效控制气孔大小、制品形状和密度。


溶胶凝胶工艺

溶胶凝胶工艺利用金属醇盐水解反应、高分子缩聚反应或无机盐的水解反应形成溶胶,在凝胶化过程中,胶粒形成网状结构,干燥烧结得纳米级孔隙多孔陶瓷。该工艺制备的陶瓷隔热材料具有粒子细小、工艺简单、能实现多组分均匀掺杂、处理温度相对较低等特点。


气凝胶隔热材料


作为一类具有纳米孔结构的新型材料,气凝胶在军事、建筑、化工、石油及环境保护等领域的应用前景备受关注。




二氧化硅气凝胶

二氧化硅气凝胶是溶胶凝胶工艺衍生的非晶固态材料,其气孔率最高可达 99.8%,具有纳米级孔洞和粒径,比表面积超大。常向气凝胶中添加纤维增加材料强度,或添加遮光剂提高材料红外遮蔽性能。


氧化铝气凝胶

Al2O3气凝胶具有低密度、比表面积大、热稳定性高和耐高温等特点。在高温隔热、高温催化及基础研究等领域都有广泛应用。根据前驱体不同,制备纯Al2O3气凝胶的工艺可分为无机铝盐法和有机金属铝醇盐法。


二氧化锆气凝胶

二氧化锆气凝胶具有耐高温、比表面积高、粒径小和密度低等特点。在加热或冷却时容易造成ZrO2纳米孔结构破坏。可通过对ZrO2气凝胶进行掺杂改性,从而对其进行晶型稳定化处理。改性后复合材料比纯ZrO2材料具有更好高温稳定性,能有效解决制品开裂问题。


气凝胶干燥方法



气凝胶的干燥方法主要有超临界干燥法、常压干燥和冷冻干燥。


超临界干燥法:通过控制压力和温度,使溶剂在干燥过程完成超临界转变。由于高温高压和有机溶剂的易燃性,超临界干燥存在很大危险性,且设备昂贵复杂,难以进行连续性及规模化生产。


较超临界干燥法,常压干燥操作简单安全。但常压干燥时孔隙流体迁移产生毛细管力,从而导致气凝胶结构收缩和坍塌。可通过提高凝胶网络结构强度;改善凝胶中孔洞的均匀性;对凝胶进行表面修饰处理;采用低表面张力的溶剂等措施来解决。


冷冻干燥可一定程度上解决干燥过程粒子团聚问题。冷冻干燥在低温、负压下使冻成固相的溶剂升华,达到排除溶剂的目的。


纤维及纤维增强复合隔热材料


隔热纤维主要通过减缓热量交换达到隔热目的。绝大多数为硅酸盐类矿物。主要有石棉、玻璃棉、硅酸铝纤维、高硅氧纤维、碳化硅纤维 和 氧化铝纤维等。因纤维本身具有一定拉伸强度,所以其制品具有较高的抗拉、抗压和抗折强度。实际应用中隔热材料往往承受一定载荷。所以其他类型隔热材料一般要与纤维复合使用。


参考资料:

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赵淑媛. 纤维隔热材料微观结构与热性质演化及热可靠性评估研究

胡继东. 航天器热防护材料的发展概述

蔡红玉. 有机泡沫浸渍法制备的SiC泡沫陶瓷的组织与性能研究

谢涛. 气凝胶纳米多孔隔热材料传热计算模型的研究

陈力飚.凝胶的干燥

左小荣. 常压干燥制备二氧化硅气凝胶的工艺研究

杨春艳. 多孔隔热陶瓷的研究进展

(中国粉体网编辑整理/江岸)

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