高性能隔热材料的微观结构
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第29卷第2期 2007年5月 河北理工学院学报
Journ ̄of Hebei Institute of Technology Vo1.29 No.2
May.2007
文章编号:1007—2829(2007)02—0109—03 高性能隔热材料的微观结构 乔丽娜,聂从,昊印林 (河北理工大学材料学院,河北唐山O63OO9) 关键词:隔热材料;微观结构;性能 摘要:探讨了高性能隔热材料理想的微观结构,并对本研究制备的隔热材料进行了微观结 构分析。合理的微观结构是材料获得优良性能的保障。 中图分类号:TQ 175.1 文献标识码:A
0 引言 隔热材料的性能是由材料的组成与结构所决定的,在研制高性能隔热材料时,除了进行材料配方的研 究外,更重要的是根据材料的微观结构与性能的关系,选择和获得能赋予材料最佳性能的最佳微观结构。
1 高性能隔热材料的理想微观结构 本研究制备的隔热材料要求具有优良的隔热性能和较高的强度,且有较低的体积密度和较小的线收缩 率,最高使用温度为1050℃,并兼有耐水、阻燃等多种功能。 隔热材料的热传递由固体热传递及气孔中气体的热传递两部分构成。为了最大限度地降低固体的热传 导,除了选择导热系数低的固相组成外,还必须减小固体粒子之间的接触面积。采用近似于球形微小的粒 子,使热量只能通过粒子之间微小的接触面积进行传递,可以大大降低固体的热传导。气孔内气体的热传 递方式包括气相导热、对流、辐射三种形式。相对于固相导热,气相导热可忽略不计,而对流传热和辐射 传热都随气孔尺寸的减小而降低。如果孔径达到纳米级,对流传热和辐射传热也降到最低。由以上分析可 知,采用导热系数很小的固相微粒通过点接触构成高气孔率的纳米孔型微观结构是材料最理想的微观结 构。这样的微观结构不仅使材料具有极低的导热性,而且还赋予材料拥有所要求的其他性能。所谓高气孔 率的纳米孔型微观结构指的是材料内几乎所有的气孔尺寸都在100 hill以下,且80%以上的气孔尺寸都小 于50 nln。只有绝大部分气孔尺寸小于50 am时,隔热材料才算进入了纳米材料的范畴,此时才能够有性 能上的纳米效应。因为空气中的主要成分氮气和氧气的分子自由程都在70 am左右,只有在大部分气孔尺 寸都小于50 am时,材料内部才能基本消除对流,使对流传热大幅度降低…。
2 高性能隔热材料的制备 虽然为得到最佳性能,隔热材料最好具有理想的微观结构,但实际生产中还必须考虑成本等因素。本 研究拟以廉价的水玻璃为原料制备的硅酸凝胶为高性能隔热材料的基本组成,并掺人硅酸铅纤维、硅灰、 钛白粉和粉煤灰漂珠等成分以提高强度和隔热性能,隔热材料的制备工艺流程如图l所示。 对所研制的隔热材料性能测试表明,该材料使用温度能达到l 100℃,平均温度为600℃时导热系数 为0.038427//(nl・K);在容重为500 kg/m 的条件下,其抗压强度达到1.4 MPa;体积稳定性很好,在 1000℃下煅烧4 h的线收缩率仅为0.72%;耐水,并有一定的阻燃作用。
收稿日期:2006-05-10
维普资讯 http://www.cqvip.com ll0 河北理工学院学报 第29卷 回一圈一囤 1.r l搅拌至胶凝
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图1隔热材料的制备工艺 3 本研究制备的隔热材料的微观结构 硅酸凝胶、硅灰和粉煤灰漂珠是本研究制备的隔热材料中的主要组分。硅酸凝胶是硅酸胶体粒子构成 的多孔网络结构,其化学成分是SiO ,硅灰中SiO 的含量高达90%l ̄.1_lz,而漂珠是燃煤发电厂粉煤中无 机物在高温下熔融后凝固形成的硅酸铝质玻璃空心微珠,SiO 含量也很高,因此,本材料的主要化学成 分是SiO 。SiO 的导热系数小。硅酸凝胶和硅灰为无定形的SiO ,漂珠是中空的玻璃体,非晶体状态 SiO 的导热系数比晶体状态SiO 的导热系数还要低。 表1硅灰的粒度分布(%)
表1是硅灰的粒度分布,大部分硅灰粒子的粒径在7O一100 nlil之间。图2和图3是在10.0 kX放大 倍数下得到的硅灰和硅酸凝胶的扫描电镜照片,由图片中的标尺可知,硅酸凝胶粒子的尺寸大致分布在 50~100 nlil之间,其尺寸小于硅灰粒子尺寸。
图2硅灰粒子的电镜照片 图3硅酸凝胶粒子的电镜照片
维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 乔丽娜,等:高性能隔热材料的微观结构 粉煤灰漂珠能够减小材料干燥时的体积收缩率,提高体积稳定性。漂珠的粒度分布见表2。漂珠粒度 较大,大部分粒子的尺寸都在50 m以上,粒度分布在50~150 m之间,远大于硅灰和凝胶的粒子尺 寸。图4是漂珠的电镜照片,该照片是在放大倍数为200倍的条件下得到的,照片中还可看到漂珠中空的 内部结构。漂珠的中空结构阻断了气体通道,不易发生气体的对流传热,加之漂珠内的气体主要是CO 和N ,传热速率更慢。 表2漂珠的粒度分布(%)
图4漂珠的电镜照片 表3钛白粉的粒度分布(%) 图5钛白粉的电镜照片
钛白粉(锐钛矿)的电镜照片如图5所示,放 大倍数为2.5 kx。钛白粉的颗粒大小介于硅灰和漂 珠之间,粒度分布见表3,粒径分布于0.3~15 之间,大部分颗粒小于15 Jn。钛白粉粒子作为散射 中心分散在硅灰和硅酸凝胶组成的网络结构中,能隔 断高温热辐射。 根据各主要组分的粒子尺寸可以设想,硅灰参与 硅酸凝胶的网络构造,而钛白粉和漂珠分散于网络之 间,图6是对材料预期的微观结构示意图。
图7隔热材料的电镜照片
锯硅获jR|硅凝腔起子 O O 戗白扮
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图6隔热材料的微观结构示意图
图8凝胶部位电镜照片 (下转第1 19页)
维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 赵天雨, :轻钢骨砼结构应用技术硬抗剪性能 The Study on Application Technique and Shear per of Structurel of Light Steel Reinforced Concrete
ZHAO Tian—yu .SUN Cui—lan’ ’ (1.College of Civil and Architectural Engineering,Hebei Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009, China;2.Hebei Urban Construction Vocational School,Shijiazhuang Hebei 050031,China)
Key words:Light steel reinforced concrete;auto dense concrete;and shear wall;finite element Abstract: A new structural system called light steel reinforced concrete is gradually widely used,because it is light and expedient when installed,with excellent heat preservation.The performance of the light steel reinforced concrete and the shear strength are deeply studied in this thesis.Test research has been done at three reduced scale model of light steel reinforced concrete shear wall,derivation the shear strength formula. Because the model test has the disadvantage of few member and lack data,SO ADINA finite element method are adopted and a suggestion is made to design the axis—press of light steel reinforced concrete shear wal1.
(上接第111页) 图7是隔热材料的扫描电镜照片,放大倍数为1.00 kX,可以看到较大的粒子(主要是漂珠)周围都覆盖 了凝胶状的物质。放大倍数观察粒子周围的凝胶包裹层,图8即为其放大10.0 kX的电镜照片。从图8可 以看到,硅酸凝胶与硅灰等颗粒共同构成了凝胶的网络骨架,粒子尺寸约为几十个纳米,粒子间接触面积很 小,基本实现了点接触,多孔网络结构中的孔洞大小在50—100 Ilia之间,孔径分布范围较宽。隔热材料的微 观结构与预期的微观结构基本相符。
4 结论 如前分析,高性能隔热材料理想的微观结构是高气孔率的纳米孔型微观结构,但本研究中为了节约成 本,以中空的粉煤灰漂珠为隔热材料的主要成分,分布在硅酸凝胶与硅灰构成的多孔网络之间,作为挡光剂 的钛白粉粒子均匀分散在材料中,硅酸铝纤维起了纤维增强作用,这样的微观结构使材料同样获得了优越的 性能。合理的微观结构设计是低成本材料获得优良性能的保障。 参考文献: [1] 井强山,刘朋.纳米孔超级绝热材料硅气凝胶制备与改性[J].许昌学院学报,2004,23(5):33.
The Mierostrueture of the Thermal Insulating Material with lIigh Performance QIAO Li—na,NIE Cong,WU Yin—lin (College of Materials Science and Engineering,Hebei Polytechnic University,Tangshan Hebei 063009,China)
Key words:thermal insulating material;microstructure;performance Abstract:The ideal microstructure of the thermal insulating material is discussed,and the m.icrostructure of the
thermal insulating material that was prepared by this study is analyzed.The reasonable microstructure guarantees that the material obtains the excellent performances.