绝热材料设计报告

材料设计报告

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本次材料设计任务由老师在课堂给出，题目如下：

设计一种绝热材料，密度小于1g/cm3，工作温度大于1600摄氏度，热导率小于0.1W/(m k).

在进行了小组讨论和学术方向的查询之后，我们的小组得出了往陶瓷绝热材料方向进行设计的结论，我将以分点的形式展开我的设计报告。

一、绝热材料的相关介绍

在设计材料之前，我首先了解了这类材料的基本信息。绝热材料是指能阻滞热流传递的材料，又称热绝缘材料。传统绝热材料，如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐等，新型绝热材料，如气凝胶毡、真空板等。它们用于建筑围护或者热工设备、阻抗热流传递的材料或者材料复合体，既包括保温材料，也包括保冷材料。绝热材料一方面满足了建筑空间或热工设备的热环境，另一方面也节约了能源。国家将绝热材料看作是继煤炭、石油、天然气、核能之后的“第五大能“。绝热材料种类繁多，一般可按材质、使用温度、形态和结构来分类。按材质可分为有机绝热材料、无机绝热材料和金属绝热材料三类。

二、材料的设计思路

首先我们要求是，热导率不到0.1，密度不超过水的材料，因此导热率和密度都不符合要求的金属材料。最好的选择即是非金属材料。我们参考了碳纤维、气凝胶、金属粉末涂层的不同材料，然而在研究过程中我们发现碳碳非金属材料在导热率上有缺陷，最近火热的气凝胶材料也在工作温度条件上达不到要求，气凝胶最高抵抗1400摄氏度，但我们所设计的材料工作温度就在1600度，因此气凝胶材料不符合要求。而且气凝胶材料的缺陷在于不好控制其微观材料结构（气态的均匀分布性以及分子热运动的影响），所以我们最终还是放弃了气凝胶材料。

之后我们把视野放到了无机非金属材料陶瓷上，陶瓷纤维材料在理论上完美符合我们的要求。其低密度，高耐热性，低热导率，且抗磨耐用的特点无疑是我们的首选。因为陶瓷是有悠久历史的固体材料，所以我们在设计中可以借鉴前人的工艺成果，并且将我们所需的特性进一步加强。陶瓷的低密度是因为多气孔，那么我们在设计材料时需要加入隔热的真空层来减轻质量，进一步加强优势，并且节省材料。并且寻找陶瓷脆性易损的原因，设计时考虑应力危险区，合理调整陶瓷的晶向结构，并增加其使用寿命。

三、陶瓷材料的简介

陶瓷纤维是一种纤维状轻质耐火材料，它的直径一般为2～5 μm，长度多为30～250 mm，纤维表面呈光滑圆柱形。由于其重量轻、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点，广泛应用于机械、冶金、化工、石油、陶瓷、玻璃、电子等行业。根据使用功能，陶瓷纤维可以分为高温陶瓷纤维和功能陶瓷纤维，用作绝热材料，过滤材料，高温超导材料等，此外陶瓷纤维还被用于生产耐高温陶瓷纤维纸和箱板纸。[1] 陶瓷纤维最早出现在美国，1941 年美国巴布维尔考克斯公司以天然高岭土为原料使用电弧熔融喷吹的方法制得陶瓷纤维[2]。20 世纪40 年代后期，美国两家公司生产的硅酸铝系列陶瓷纤维首次应用于航天领域。20 世纪60 年代，美国研制出多种应用工业窑炉壁衬的陶瓷纤维。目前，国外企业在原有1000 型、1260 型、1400 型、1600 型[3]及混配纤维的基础上，在陶瓷纤维熔体内加入Zr O2、Cr2O3，提高了陶瓷纤维的使用温度[4]

陶瓷纤维绝热性能良好的原因：

陶瓷纤维之所以具有良好的隔热作用是由它的结构决定的。陶瓷纤维的内部组织结构是固态纤维与空气组成的混合结构，其显微结构特点是固相和气相都是以连续相的形式存在。在这种结构中，固态物质以纤维状形式存在，并构成连续相骨架，气相则连续存在于纤维材料的骨架间隙之中，气孔中的空气具有良好的隔热作用[5-6]

陶瓷纤维的特征：

陶瓷纤维是以氧化铝和二氧化硅为主要成分的人造矿物纤维。导热系数非常低，因此向炉外放散热量小，节能效果好[图1 （a）]，因低密度、低热惯性，在加热炉温度变更时，温度控制容易[图1 （b)]。

陶瓷纤维主要使用的是1200℃以下常温使用的氧化铝-二氧化硅系非晶质陶瓷纤维（非晶质陶瓷纤维）和1250℃以上高温使用的氧化铝质结晶质陶瓷纤维（结晶质陶瓷纤维）。

（因为我们定位的材料目标温度是1600°，故考虑结晶质陶瓷纤维）

结晶质陶瓷纤维的制造方法：

高氧化铝组成的熔液粘度低，不能采用非晶质陶瓷纤维所用的熔融纤维化方法制造，所以用产物母体纤维法制造。将含氧化铝的纤维产物母体溶液在室温下纺纱制作成产物母体纤维，使其在1000℃以上烧成并结晶化，制成原棉。烧成前对产物母体纤维追加针状处理制造毡子。

目前，陶瓷纤维在高温工作环境下使用的实例，以钢铁工业为说明：

[7]

弊端：陶瓷纤维也由于其质脆、强度差而限制了它的应用。

陶瓷纤维与植物纤维混合配抄生产箱板纸早已投入工业生产，大大节约了植物纤维浆，减少了木材的砍伐，保护了环境。此外，陶瓷纤维还可以与玻璃纤维配抄生产空气滤纸。这种高效陶瓷纤维空气滤纸具有空气流阻力低、过滤效率高、耐高温、抗腐蚀、化学性能稳定、环保无毒等特点，主要应用于大规模集成电路和电子工业、仪表、医药制剂、国防工业、地铁、人防工程、食品、生物工程、工作室的空气净化、有毒烟雾、煤烟微粒以及血液过滤材料等。

陶瓷纤维由于其耐热，多孔，耐化学腐蚀，质轻等优点，加入纸浆纤维中，使用造纸抄造工艺，控制一定配比制成蜂窝状吸附材料，在石油炼制，气体分离，废水废气中有机物的脱除等方面应用广泛。同时陶瓷纤维纸由于其特殊的性能，也应用于燃料电池等。

文献引用列表：

[1] 朱俊. 关注陶瓷纤维的发展和未来[J]. 上海建材, 2011(1): 24-27

[2] 刑声远. 陶瓷纤维性能及其产品开发[J]. 纺织导报, 2005(5): 64-67.

[3] 崔学正(译). 陶瓷纤维技术动向[J]. 国外耐火材料, 1997(5): 7-11.

[4] 朱俊. 陶瓷纤维展望[J]. 化学工业, 2011, 29(4): 30-34.

[5] 刘浩, 王玺堂, 张保国, 等. Ca O/Mg O 比对钙镁硅系陶瓷纤维晶化行为的影响

[J]. 稀土金属材料与工程, 2009, 38(2): 1200-1202.

[6] 蒋忠道. 日本推出耐高温陶瓷纤维纸[J]. 福建纸业信息, 2006, 18: 12.

[7]《新日铁技报》388 号，2008

四、对现有陶瓷材料的改进实验设想

陶瓷材料的制作工艺在多年的实践中已经趋于成熟，而我们想创新的方面即是通过在陶瓷纤维拉丝制作陶瓷纤维的时候进行二次甩丝处理，可以提高陶瓷纤维的韧性，让其成为更好的材料。

我们一般把陶瓷纤维毯分为两类，一种是甩丝毯，一种是喷丝毯。甩丝纤维更粗些，甩丝纤维一般为3.0-5.0µm，喷丝纤维一般为2.0-3.0mm。甩丝纤维更长，甩丝纤维一般为150-250mm, 喷丝纤维一般为100-200mm；喷丝毯由于纤维较细而优于甩丝毯；甩丝毯由于纤维更粗而优于喷丝毯；甩丝毯由于纤维较粗且长而优于喷丝毯，在组块制作的折叠过程中，喷吹纤维毯易于破碎和撕裂，而甩丝纤维毯可以折叠得非常紧密并且不易破坏，组块的质量会直接影响到炉衬的质量；甩丝毯由于纤维丝粗而长，具有更好的抗拉力，更经久耐用，所以甩丝毯优于喷丝毯；综上所述，我们认为选用甩丝毯更适合我们的材料设计。