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具有纳米级微孔的保温耐火材料:成功或者假象
发布时间:2014-12-15

陈俊峰译自《2013年联合国际耐火材料技术会议》

 

摘要:本文对影响陶瓷保温耐火材料热学性能的物理影响因素进行了研究,并探明纳米孔显微结构对性能的影响。导热率是保温材料用来表征微观结构保温能力的重要物理参数之一。因此,本文采用数值分析及模拟计算的方法量化了孔径分布对材料导热率的影响。分析结果表明:通过优化材料的孔径分布使其介于1-3um范围时,能最大程度的降低材料的热能传递。除此之外,具有纳米级孔(<0.1um)的显微结构的材料并不能在高温使用环境中(>1000℃)降低材料的导热性能。含有纳米孔的气凝胶材料的热导率随着温度的升高而升高,通过这个实验证实了上述结论。此外,纳米孔在连续高温使用环境下很难保持其尺寸的稳定性。

 

前言

通过降低两个不同工作温度区域间的热能传递速率,高温保温陶瓷材料在工业生产过程的应用能有效的降低热量损失。因此,保温材料的使用能在大多数工业生产过程中起到提高能源使用效率的作用。对材料的热效率的研究一直是科学家关注的重点,近年来关于热能损失引起的能源成本支出使这一问题受到了更多的关注。并且据文献报道[1],通过改进相关的保温措施可以极大提高能源的使用效率从而节约成本。

通过优化材料的显微结构,可以降低热量从热端到冷端的传递速率,从而提高材料的保温能力。文献[2,3]也表明在高温下孔径尺寸能极大地影响材料的导热系数。此外,这些文献同时表明:减小材料的孔径尺寸能降低其导热系数,近而能极大提高材料的保温性能。但是这些文献只是推测孔径应该尽可能的小,却没有明确最小孔径的具体大小。文章进一步暗示具有纳米级孔径显微结构的材料应该具有最好的保温效果。具有纳米孔的材料已经在另一些文献中被报道,这种材料被称为气凝胶,它们不仅具有高孔隙率(>90%),且孔径分布在纳米范围内(10~100 nm) [4]。

本文从陶瓷材料的热—光学性能的基本原理角度出发,研究了一定温度范围内,优化后材料的孔径分布与保温效果的函数关系,从而最大限度的提高材料的保温性能。

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