SiO2納米孔絕熱材料的基礎(chǔ)研究及其制備和應(yīng)用.pdf

1、SiO2納米孔絕熱材料具備極佳的絕熱性能，是目前高性能絕熱材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，其主要包括SiO2氣凝膠基絕熱材料和SiO2納米粉末基絕熱材料。
　　針對(duì)前者的研究，本文首先采用溶膠-凝膠法結(jié)合共沸蒸餾干燥工藝制備了SiO2干凝膠，研究了共沸蒸餾工藝對(duì)凝膠多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的影響，分析了其在煅燒過(guò)程中物相和微觀孔結(jié)構(gòu)的變化，探討了SiO2干凝膠取代氣凝膠制備絕熱材料的可行性，為SiO2氣凝膠基絕熱材料的常壓干燥制備奠定了一定的基礎(chǔ)

2、。
　　針對(duì)后者的研究，本文通過(guò)對(duì)比微硅粉、沉淀SiO2和氣相SiO2三種粉體的熱性能及其在煅燒過(guò)程中化學(xué)鍵和晶相的變化，考察三種粉末基絕熱材料的絕熱性能以及三種粉末壓實(shí)體的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和微觀組織結(jié)構(gòu)，明確了氣相SiO2為制備SiO2納米粉末基絕熱材料的最佳基體材料。隨后，本文重點(diǎn)對(duì)氣相SiO2基納米孔絕熱材料進(jìn)行了相關(guān)研究，考察了氣相SiO2納米粉末壓實(shí)體在壓縮過(guò)程、熱處理過(guò)程以及摻雜過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)尤其是孔結(jié)構(gòu)的演變行為，研究了增

3、強(qiáng)纖維、紅外遮光劑、抑燒劑對(duì)其絕熱性能、機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性能的影響，探討了其作用機(jī)理。最后，以所制備的氣相SiO2基納米孔絕熱材料作為絕熱層，應(yīng)用有限元分析方法，通過(guò)對(duì)中間包溫度場(chǎng)的模擬研究，分析了該絕熱層對(duì)中間包鋼液溫度及包襯傳熱的影響。
　　通過(guò)以上各方面的研究，獲得的主要研究結(jié)果如下：
　　(1)通過(guò)溶膠-凝膠法結(jié)合共沸蒸餾干燥工藝制備了SiO2干凝膠，其顆粒表面羥基已被正丁醇的丁氧基取代生成了Si-OC4H9，完成了

4、顆粒表面疏水改性和凝膠中溶劑替換過(guò)程。隨著煅燒溫度的升高，制備的SiO2干凝膠直至1000℃仍保持非晶態(tài)狀態(tài)，但其顆粒間的粘性燒結(jié)將導(dǎo)致比表面積和孔體積急劇降低。經(jīng)過(guò)300℃煅燒后，SiO2干凝膠的比表面積為924.62m2·g-1，孔體積為0.754cm3·g-1，平均孔徑約為4nm，孔徑主要分布在10nm以下并少量分布在100～160nm之間，孔隙中微孔和大孔數(shù)量偏多，介孔數(shù)量偏少，孔均勻程度較差，其在取代氣凝膠作為基體材料方面還存

5、在一定的差距。
　　(2)相比于微硅粉和沉淀SiO2粉體，氣相SiO2粉體具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，當(dāng)加熱至1000℃時(shí)，其仍呈非結(jié)晶狀態(tài)，且不會(huì)產(chǎn)生由于晶型轉(zhuǎn)變引起的體積變化。同時(shí)，由于其壓實(shí)體具備更明顯的納米孔吸附特性及豐富的納米孔顯微結(jié)構(gòu)，以其為基體材料所制備的絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)明顯低于前兩者。因此，氣相SiO2粉體為制備SiO2納米粉末基絕熱材料的最佳硅源粉體。
　　(3)氣相SiO2壓實(shí)體在壓縮過(guò)程中，其內(nèi)部聚集體間的

6、形貌并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，其氮?dú)馕?脫附等溫線(xiàn)在相對(duì)壓力較低范圍內(nèi)尤其是小于0.16以下均幾乎沒(méi)有變化。隨著成型壓力的提高，氮?dú)馕?脫附等溫線(xiàn)在高相對(duì)壓力處的滯后回環(huán)明顯增強(qiáng)，氮?dú)馕接行Э紫堵曙@著增大。在壓縮過(guò)程中，壓實(shí)體的比表面積基本保持穩(wěn)定，而氮?dú)馕娇偪左w積先穩(wěn)定升高再降低最后與壓實(shí)體內(nèi)部空體積相等，當(dāng)成型壓力達(dá)到80MPa時(shí)，試樣出現(xiàn)氮?dú)馕斤柡同F(xiàn)象。
　　(4)氣相SiO2壓實(shí)體在熱處理過(guò)程中，熱驅(qū)動(dòng)力直接作用在相鄰

7、的原始顆粒表面產(chǎn)生傳質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致壓實(shí)體比表面積及氮?dú)馕娇偪左w積顯著下降。隨著熱處理程度的加劇，壓實(shí)體內(nèi)部將會(huì)發(fā)生過(guò)渡性的孔隙重排現(xiàn)象，孔隙向小尺寸方向發(fā)展且分布逐漸變窄，單個(gè)聚集體內(nèi)部原始顆粒粘結(jié)長(zhǎng)大，相鄰的聚集體燒結(jié)融合形成了新的較大的聚集體。
　　(5)摻雜微米級(jí)的紅外遮光劑和增強(qiáng)纖維都將破壞基體材料中局部的納米孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致?lián)诫s后的氣相SiO2納米粉末壓實(shí)體在相對(duì)壓力范圍內(nèi)的吸附氮?dú)饽芰τ兴陆?，但后者的摻雜會(huì)使氣相SiO2

8、吸附在其表面形成層結(jié)構(gòu)，能夠引起高相對(duì)壓力處氮?dú)馕侥芰Φ脑鰪?qiáng)。添加氣相Al2O3抑燒劑則會(huì)增加基體材料吸附氮?dú)獾挠行Э紫堵?，使摻雜試樣在高相對(duì)壓力處呈現(xiàn)強(qiáng)烈的毛細(xì)凝聚現(xiàn)象。
　　(6)當(dāng)成型壓力為2MPa時(shí)，可以獲得導(dǎo)熱系數(shù)較低且抗折強(qiáng)度較高的氣相SiO2基納米孔絕熱材料。當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20％的中位粒徑為3.029μm的W3.5型SiC作為紅外遮光劑時(shí)，試樣在熱面溫度1000℃時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.023W/(m·K)。通過(guò)機(jī)械融

9、合方式混料，氣相SiO2納米顆?？梢耘c單根纖維吸附結(jié)合形成最大厚度約為4μm的納米顆粒改性包覆層，相比于采用普通混料方式制備的絕熱材料，這種結(jié)構(gòu)可使材料的導(dǎo)熱系數(shù)降低幅度達(dá)50％。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10％的氣相Al2O3即可顯著提高材料在高溫下的體積穩(wěn)定性，在900℃和1000℃時(shí)的體積收縮率分別僅為0.3％和1.1％。
　　(7)以所制備的氣相SiO2基納米孔絕熱材料為絕熱層可有效提高中間包的保溫效果，經(jīng)過(guò)3600s后，與無(wú)絕熱層的中