作业

作用要求：现需要设计一种满足以下要求的绝热材料：

密度小于1 g/cm3、工作温度大于1600 ℃、热导率尽可能低(如小于0.1 W/(m·K))。

查阅资料、提出你选择的选材及材料设计思路或方案，并给出本课程所学的相应的理论依据。

六铝酸钙/尖晶石复相材料

一、热材料选择

根据题目要求，所设计的绝热材料密度小于1 g/cm3、工作温度大于1600 ºC，属于轻质耐热材料。首先考虑其主要功能，即绝热、耐热，那么所选主要材料应该要高于其工作温度，查阅相关资料，找到几种常见的耐高温材料（见表1-1）。这里选择用六铝酸钙作为主要材料，六铝酸钙简写为CA6，其理论密度为3.79，熔点高于1875℃，六铝酸钙耐火材料以其优越的导热性、高温体积稳定性、抗热震性和抗侵蚀性, 在钢铁、炼铝、陶瓷、石化等高温行业中已成功得到应用[1]。

其次选择了天然镁铝尖晶石，其为一种宝石级尖晶石,化学式为MgO•A12O3或

MgA12O4，简称MA。MA是一种熔点高(2135℃)，热膨胀系数小，热导率低，热震稳定性好，耐磨损，抗冲击，高硬度，高强度，良好的电绝缘性能!抗碱侵蚀能力强的镁铝氧化物材料。耐高温材料用镁铝尖晶石都是由MgO和A12O3人工合成的，MgO和A12O3能固溶于MA中，形成富镁或富铝尖晶石,它们与MA的低共熔温度都在1900℃以上[2]。

其工作稳定和热导率可以满足的情况下，其密度较高，考虑将其做成多孔材料，并且气孔对导热率有着重要的影响：

Cvl 3

1=λ

)1(P s -=λλ

在高温（>1800K ）时，光子传导效应较大，如果有微小气孔存在，由于气孔与固体间折射率有很大的差异，使这些微气孔形成散射中心，导致透明度强烈降低，显著地降低射线的传播，这样光子自由程显著减小，即λ减小；当然，少量的大的气孔对透明度影响小，而且当气孔尺寸增大时，气孔内气体会因对流而加强了传热，当温度升高时，热辐射作用就增强，且与气孔大小的和温度的三次方成比例。

而对于此材料的气孔率提高方法，采用加入造孔剂提高材料的气孔大小和减小密度。

图1.1 SLA-92 与传统隔热原料的热导率[3]

对于其热导率，SLA-92 原料的热导率类似于陶瓷纤维的热导率,。随温度的升高,，热导率呈近似水平的上升趋势。但与陶瓷纤维不同的是, 1 200 ℃以上， 陶瓷纤维的热导率-温度曲开始快速上升， 热导率将明显高于SLA-92 原料的热导率。SLA-92 原料的热导率远远低于传统的氧化铝空心球骨料、轻质黏土骨料等的热导率。

二、评估

在300 ～ 1400 ℃之间, CA 6 隔热试样不但热导率明显偏低, 且当温度变化时其热导率的变化较小。对Bonite 浇注料的试验表明, 体积密度为2.85 g/cm 3的Bonite 浇注料与体积密度为3.0 g/cm 3的刚玉质浇注料相比, 其热导率低得多。

三、其他资料：轻质耐高温材料的制备方法

轻质材料的制备方法与致密材料不同,轻质材料的制备关键在于气孔的引入方法，并且

各种制备方法都有各自的特点和使用范围，轻质耐高温材料的生产方法通常为燃尽加入物法和气体法,以及多孔材料法“气体法又可分为泡沫法和化学法”。

(l)燃尽加入物法

也叫可燃物加入法“采用锯木屑、泡沫塑料球等可燃物或可升华添加物引入气孔”制品在三个方向上收缩各不相同，在干燥用烧成过程中易产生变形，需要经过整形(切割和磨光)才能使用该方法是轻质隔热材料的主要生产方法。

(2)泡沫法

泡沫剂发泡后于浆料共混,使泥浆产生气泡;并加入固定剂，稳定己形成的气泡(任国斌，1986)“该方法操作简单!生产稳定”其主要问题在于半成品的干燥复杂,生产周期长，成本较高“通常用于生产常规通用轻质隔热材料”。

(3)化学法

利用化学反应产生气体引入孔隙"如在泥浆中加入碳酸盐和酸、苛性碱和铝或金属和酸等“该方法生产的制品使用温度低(1200℃），抗渣性差，只能用于不与火焰接触的夹层中，生产周期长，成本较高,因此,在生产中极少使用”。

(4)多孔材料法

利用天然轻质原料(如天然的硅藻土(王维邦，1996)或人工制造的各种空心球(如人造的粘土泡沫熟料、氧化铝或氧化铝空心球孔材料(王维邦，1996))引入孔隙"此方法使用范围有限,是制备高强度轻质隔热材料的有效方法“主要应用于制备氧化错和氧化铝等高强度隔热材料”。

参考文献

[1]陈冲，陈海，王俊，孙宝德.六铝酸钙材料的合成、性能和应用[J].硅酸盐通报.2009，28:201-205

[2]卫李贤.六铝酸钙/尖晶石轻质耐高温材料的研究[D].北京：中国地质大学，2010

[3]裴春秋,石干，徐建峰.六铝酸钙新型隔热耐火材料的性能及应用[J].工业炉.2007，29（1）：45-49