泡沫玻璃强化技术的研究进展
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泡沫玻璃强化技术的研究进展3
郭晓琛,高淑雅,郭宏伟
(陕西科技大学材料科学与工程学院,西安710021)
摘要 改善泡沫玻璃力学性能直接、有效的手段是对其进行增强处理。评述了泡沫玻璃的微晶化增强、纤维
增强、高密度增强等技术的优势与不足,指出了它们亟待解决的技术难点,总结了泡沫玻璃几种新强化技术的发展状
况,深入探讨了目前泡沫玻璃增强技术中存在的问题和进一步研究的方向。
关键词 泡沫玻璃 微晶化 纤维增强 高密度
StrengtheningTechniquesofFoamGlasses
GUOXiaochen,GAOShuya,GUOHongwei
(SchoolofMaterialsScience&Engineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology,Xi’an710021)
Abstract Strengtheningtechniqueisthemosteffectivemethodtoimprovemechanicalpropertiesoffoamglas2
ses.Theadvantagesandshortcomingsofthestrengtheningandtougheningtechniquesoffoamglassesincludingthe
micritization,thefiber2reinforced,highdensitytechniqueandsoonarereviewed,meanwhiledevelopmentstateofse2
veralnewstrengtheningtechniquesoffoamglassesissummarized.Theopenquestionsandfurtherstudieson
strengtheningandtougheningtechniquesarealsoinvolved.
Keywords foamglasses,micritization,fiber2reinforced,highdensity
3国际合作项目(2009DFR50520)
郭晓琛:男,1984年生,硕士研究生,研究方向为功能玻璃 E2mail:xc287732725@126.com 高淑雅:通讯作者,女,1962年生,副
教授,硕士生导师 E2mail:gaosy@sust.edu.cn0 引言
泡沫玻璃是一种新型的建筑材料,属于国家建设事业
“十一五”大力推广和应用的环保型材料[1]
,具有密度小、导
热系数小、防化学腐蚀、不受蚁鼠侵害、保温隔热、防水防潮、
防火、吸声等一系列优异性能[2-5]
,作为保温保冷、吸声的工
程材料已广泛应用于化工、石化、轻工、冷藏、暖气输送、建筑
环保等领域[6,7]。但是泡沫玻璃至今仍发展较缓慢,应用得
不到较大推广,主要原因是泡沫玻璃的力学强度低,在加工
搬运过程中容易破碎、断裂,而且其抗折、抗压强度都难以满
足建筑领域轻质高强材料的要求,因此,提高泡沫玻璃的力
学性能是泡沫玻璃得以广泛应用的关键所在。
微观结构决定材料的性能。改善泡沫玻璃制备工艺和
消除结构缺陷是强化泡沫玻璃力学性能的主要途径。以前
不少学者对此进行了大量的研究工作,并取得了不错的成
果[8-10]。近年来,人们对泡沫玻璃力学性能强化技术的研究
有了更进一步的探讨,采用了微晶增强法、纤维增强法及高
密度增强的方法来改善泡沫玻璃的力学性能,取得了良好的
效果。本文综述了泡沫玻璃强化技术的研究及进展。
1 微晶增强技术
微晶化增强是指在泡沫玻璃的制备过程中加入一定量
的成核剂,经过一定温度制度的热处理,使泡沫玻璃基体的玻璃相中析出微晶体结构,从而提高泡沫玻璃力学性能的方
法。由于微晶泡沫玻璃的相组成与陶瓷结构相似,也可称之
为多孔微晶陶瓷。
微晶泡沫玻璃的增强机理主要包括以下几点:
(1)微晶泡沫玻璃的弹性模量E
1远大于泡沫玻璃的弹
性模量E
2,因而从Griffith微裂纹理论公式:σ
c=A・
2Eγ
/(π
c)可知,微晶玻璃的临界断裂应力σ
c1远大于普通
泡沫玻璃的σ
c2。
(2)基体玻璃相与微晶相具有不同的热膨胀系数,当晶
体的膨胀系数比周围玻璃相的高时,玻璃的径向应力为拉应
力,非常小的平均晶体尺寸使边界应力降至极小。
(3)微晶泡沫玻璃中的晶界结构可以使微裂纹的尖端弯
曲和纯化,因此增加了断裂能,并且减缓甚至阻止了裂纹穿
过晶相和玻璃相的界面。
晶核剂的选取是目前微晶泡沫玻璃制备过程中一个最
重要的研究内容,如D.U.Tulyaganov等[11]研究了使用
B
2O
3、P
2O
5、Na
2O和CaF
2不同晶核剂制备的微晶泡沫玻璃
的晶化行为差异,结果表明其析晶温度为700～800℃。作为
晶核剂,主要有Au、Ag、TiO
2、ZrO
2、Cr
2O
3、Fe
2O
3以及氟化
物等[12-18]。
对微晶泡沫玻璃的研究主要侧重于力学性能的改善和
微晶化行为的探讨。郭宏伟等[19]以钠钙硅废玻璃为原料,
V
2O
5为成核剂,在725℃发泡保温30min,得到气孔结构均・211・材料导报A:综述篇 2011年1月(上)第25卷第1期匀的微晶泡沫玻璃(如图1所示),并研究了保温时间对其物理性能的影响。烧结样品的主要晶相为SiO
2、Al
2SiO5及
Na
2Ca
2(SiO
3)
3相,其密度和抗折强度分别为0.65g/cm3和
3.83MPa。E.deSousa等[20]采用烧结法制备了Li
2O2ZrO
22
SiO
22Al
2O
3系的微晶泡沫玻璃,其主晶相为β2锂辉石和硅酸
锆,抗压强度为0.1～10MPa。由于其多孔结构可以承载多
种填充剂,因而可广泛应用于催化行业,拓展了微晶泡沫玻璃的发展应用方向。
图1 烧结120min的微晶泡沫玻璃的SEM图
Fig.1 SEMmicrographoffoamglass2ceramics
sinteredfor120min
但是在微晶泡沫玻璃制备过程中,亟待解决优化微晶化
过程中核化制度和晶化制度与微晶泡沫玻璃力学性能的关
系及研究制备微晶泡沫玻璃的新工艺方法等问题。与泡沫
玻璃和纤维增强泡沫玻璃的制备相比,微晶泡沫液玻璃的制
备存在生产周期长、耗能多等缺点。表1为3种玻璃的主
要物理性能。由表1可知,微晶泡沫玻璃的密度明显高于
后二者,限制了泡沫玻璃作为建筑领域轻质材料的应用范
围。
表1 不同泡沫玻璃的主要物理性能
Table1 Themainphysicalpropertiesofdifferent
foamglassproducts
微晶泡沫
玻璃纤维增强
泡沫玻璃
泡沫玻璃
密度/(g/cm3)0.76～1.070.25～0.490.15～0.
30
抗折强度/MPa2.0～4.52.5～6.00.7～1.5
导热系数
W/(m・K)0.27～0.300.15～0.220.10～0.13
2 纤维增强技术
目前改善泡沫玻璃力学性能的有效办法是对泡沫玻璃
进行纤维补强[21-23]。纤维强化法是指在泡沫玻璃制备过程
中加入一定量的耐高温玻璃纤维或陶瓷纤维等,在烧结过程
中使纤维与基体很好地网接在一起,从而制得纤维增强多孔
玻璃基复合材料。
目前人们对纤维增强多孔材料的机理分析探讨仍不够
深入,只限于以下几个方面的理论[24]
:
(1)裂纹偏转机制,即裂纹尖端遇到弹性模量比基质大
的第二相时,裂纹偏离原来前进的方向,而沿两相界面或在基质内扩展。在基质内不加入高弹性模量的纤维而产生的
非平面断裂比平面断裂的断裂表面更大,从而吸收更多的能
量,达到增强的效果。
(2)桥联机制,是指在基质断裂后,纤维承受外界载荷并
在断开的裂纹面之间架桥。桥接的纤维对基质产生使裂纹
闭合的力,消耗外界载荷所做的功,从而提高材料的强度。
(3)拔出机制,指纤维在外界负载作用下从基质中拔出,
因截面摩擦消耗外界负载的能量而达到增强效果。这种增
强机制必须保证基质与纤维很好地结合,使外载能有效地传
递给纤维。
目前,研究人员大都侧重于探讨纤维增强复合材料的微
观结构和增强体。高积强等[25]采用流延法制备了C纤维/微
晶玻璃、SiC纤维/微晶玻璃基复合材料,其抗折强度和断裂
韧性都有大幅提高,为纤维增强微晶泡沫玻璃的实现提供了
很好的实验基础。E.J.Minay等[26-28]采用微波烧结法研究
了金属纤维添加量对玻璃基体中气泡孔径的影响,结果显
示,加10%(质量分数)金属纤维的玻璃基多孔复合材料的孔
分布均匀,如图2所示,所制备的试样由于纤维的存在,其加
工性能、力学性能等得到很好改善。同时,他们还与J.Janc2
zak2Rusch[29]合作,对SiC纤维增强玻璃基复合材料非氧化
氛围下的热老化行为进行了研究。K.K.Chawla等[30-33]研
究了SiC纤维增强玻璃陶瓷基复合材料的制备工艺、微观结
构及其性能,同时还研究了莫来石纤维增强莫来石基材料的
纤维表面浸润剂对增强效果的影响,其抗折强度、断裂韧性
测试表明,当纤维表面浸润剂厚度小于0.3μ
m时,对增强效
果无明显影响,当浸润剂厚度大于1μ
m时,其强度进一步提高。
图2 含10%(质量分数)金属纤维时烧结样品的SEM图
Fig.2 SEMmicrographoffoamedsamplesof10wt%fibre
reinforcedborosilicateglassfabricated
bymicrowaveheating
目前对纤维增强泡沫玻璃的研究仍然较少,纤维增强泡
沫玻璃的制备方法主要为Sol2gel法和烧结法。Sol2gel法制
备泡沫玻璃存在凝胶速度和均匀性难于控制、生产周期长、
原料成本高、对环境有污染等缺点,已经逐渐被烧结法取代。
烧结法存在的问题主要是纤维在基体中难以分散均匀,纤维
结团是造成增强增韧泡沫玻璃达不到预期效果的关键原因,
不易于制造形状复杂的制品,另外还需要解决的问题是纤维
如何与基体玻璃很好地粘结,从而使复合材料在受到外力作
用时能起到传递和分担基体应力的作用。・311・泡沫玻璃强化技术的研究进展/郭晓琛等
